La definició actual d’element químic ens diu que és una “substància química pura consistent en un únic tipus d’àtom, distingit pel seu nombre atòmic, que és el nombre de protons del seu nucli atòmic”. Aquesta definició sembla plagada de circularitats, car la teoria atòmica s’alçà justament a partir de la química moderna, amb noms com Antoine Lavoisier o John Dalton. En les obres de Lavoisier, per comptes de l’expressió d’element químic, trobem la de substància simple. En la de Dalton, l’equivalent és el d’element simple. En el “Llibre d’Or de la IUPAC” se’ns diu que una substància química és la “matèria de composició constant caracteritzada per les entitats (molècules, unitats formulars, àtoms) que l’integren”. De nou se’ns creuen pel mig nocions atòmiques o estequiomètriques. En el Traité Élémentaire de Chimie (1789), Antoine Lavoisier ofereix una noció de substància química basada en la seva caracterització física. El mateix Llibre d’Or de la IUPAC continua la definició per dir-nos que “propietats físiques com la densitat, l’índex refractiu, la conductivitat elèctrica, el punt de fusió, etc., caracteritzen la substància química”. On Lavoisier diu “substància”, Dalton diu “element”. Tant un com l’altre distingeixen entre “substància simple” o “element simple” i “substància composta” o “element compost”. Dalton, en introduir la teoria atòmica, parla dels àtoms simples dels elements simples, i dels àtoms compostos (binaris, ternaris, quaternaris, quinquenaris, sextenaris, septenaris, etc.) de les substàncies compostes. La teoria atòmica s’acompanyà de la consagració de la “Llei de proporcions definides” sobre les reaccions químiques, formulada per Joseph Proust en el 1794, i difosa per Jöns Jacob Berzelius a partir del 1812. La nostra és una sèrie sobre els elements químics simples, tot i que procurem tractar els elements químics compostos en el lloc més avinent segons els àtoms que els integren. Des de l’època de Von Liebig, hem associat anàlisi química preferentment a l’anàlisi elemental (elements simples), per bé que tot sovint aquests elements químics s’hi troben formant compostos. Per exemple, atenen a la composició elemental, l’element més abundant de l’escorça terrestre és l’oxigen. Però això pot sonar-nos estrany, car al capdavall associem el mot oxigen a la substància elemental, al gas dioxigen (O2). L’oxigen de l’escorça terrestre es troba formant òxids. Frank Wigglesworth Clarke (1847-1931) va aplegar els resultats de 1672 anàlisis químiques de tota mena de roques. Calculà que el 99,22% de la massa de l’escorça terrestre és formada per un conjunt limitat a 11 òxids. Els òxids d’elements minoritaris i els clorurs, sulfurs, fluorurs, etc., no arribaven, doncs, a l’1%. Els 11 òxids són el sílice (SiO2), amb una abundància del 60,2% en l’escorça continental (48,6% en l’oceànica); l’alúmina (Al2O3), amb una abundància del 15,2% en l’escorça continental (16,5% en l’escorça oceànica); la cal (CaO), amb una abundància del 5,5% en l’escorça continental (12,3% en l’escorça oceànica); la magnèsia (MgO), amb una abundància del 3,1% en l’escorça continental (6,8% en l’escorça oceànica); l’òxid ferrós (FeO), amb una abundància del 3,8% en l’escorça continental (6,2% en l’escorça oceànica); la sosa (Na2O), amb una abundància del 3,0% en l’escorça continental (2,6% en l’escorça oceànica); la potassa (K2O), amb una abundància del 2,8% en l’escorça continental (0,4% en l’escorça oceànica); l’òxid fèrric (Fe2O3), amb una abundància del 2,5% en l’escorça continental (2,3% en l’escorça oceànica); l’aigua (H2O), amb una abundància de l’1,4% en l’escorça continental (1,1% en l’escorça oceànica); el diòxid de carboni (CO2), amb una abundància de l’1,2% en l’escorça continental (1,4% en l’escorça oceànica); el diòxid de titani (TiO2), amb una abundància del 0,7% en l’escorça continental (1,4% en l’escorça oceànica); el pentòxid de fòsfor (P2O5), amb una abundància del 0,2% en l’escorça continental (0,3% en l’escorça oceànica). Naturalment, aquests òxids no es troben tampoc tots ells en una barreja homogènia, sinó formant tot sovint formulacions químiques més complexes, damunt les quals s’alcen les estructures minerals i les diverses formacions geològiques. No sempre és fàcil dibuixar la línia entre substància (compost químic) i barreja. Les barreges més homogènies poden ser descrites com a compostos, fins i tot quan no presenten proporcions definides. En tot cas, nosaltres hem arribat al nombre 23 de la nostra sèrie.
Els triangles de van Arkel-Ketelaar, denominats així per Anton Eduard van Arkel (1893-1976) i J. A. A. Ketelaar permet la representació gràfica dels diversos enllaços formats entre dos àtoms d’acord amb la seva electronegativitat. Els grans tipus d’enllaç són l’iònic, el metàl•lic i el covalent.
Andrés Manuel del Río i la descoberta del vanadi
Retrat de Manuel del Río, exposat en el Palacio de Minería, de la Ciudad de México
Andrés Manuel del Río Fernández (*Madrid, 10.11.1764) es va graduar com a batxiller en la Universitat d’Alcalá de Henares en el 1780, després d’haver seguit un currículum centrat en la filosofia, la teologia i la literatura. Passà a l’Escola de Mineria d’Almadén, on estudià química analítica i metal•lúrgia. L’Acadèmia de Mines havia estat creada en el 1777. Fet i fet, el mateix topònim d’Almadén deriva del mot àrab, المعدن, que vol dir “la mina”. Les mines de la zona havien estat explotades des de feia gairebé dos mil anys. Després de la conquesta castellana (1151), la comarca havia estat en mans de l’Ordre Militar de Calatrava, fins que fou incorporada directament a la Corona (1523). L’Acadèmia de Mines d’Almadén seguia les passes d’altres centres similars, com la de Freiburg (Saxònia), creada en el 1767, la de Schemnitz (Hongria), creada el 1770, o la de Sankt Petersburg, creada el 1772. Manuel del Río hi fou un molt bon alumne i deixà l’Acadèmia per fer una estada a París al costat de Jean Darcet (1724-1801), que havia fet notables aportacions industrials des de la química, com ara en la fabricació de la porcellana, l’extracció de la gelatina, l’obtenció d’un aliatge fusible, la fabricació de sosa a partir de sal marina, etc.
En el 1786, Manuel del Río obtingué una beca de la Corona espanyola per ampliar estudis a l’Acadèmia de Schemnitz. Aquesta era una localitat de llarga tradició minera. El topònim eslovac, la llengua local, Štiavnica, fa referència a un torrent d’aigües àcides. En llatí el trobem esmentat en el 1156 com a “Terra Banensium”, a partir del mot “Bana”, que vol dir mina. D’aquests termes prové el nom hongarès, Selmecbánya, el nom alemany, Schemnitz, i el nom eslovac modern, Banská Štiavnica.
De Schemnitz passà a Freiberg, a Saxònia, la degana de les acadèmies de mines (“Technische Universität Bergakademie Freiberg). A Freiburg, fou deixeble d’Abraham Gottlob Werner (1750-1817), i conegué personalment un jove Alexander von Humboldt (1769-1859), llavors dedicat, entre d’altres projectes, a l’estudi de la vegetació de les mines de Freiberg.
De Freiberg passà a París, on estudià amb Antoine Lavoisier, llavors de 50 anys, i reconegut com la figura més rellevant de la química moderna. El clima polític de París, però, havia esdevingut hostil. Havia cessat en els càrrecs públics, i l’agost del 1793 havia estat suprimida l’Acadèmia de Ciències. Tot i amb tot, Lavoisier havia intentat encara influir en el nou estat de coses, per exemple, amb una proposta de reforma del sistema educatiu presentada a la Convenció Nacional. També de cinquanta anys era René Just Haüy, reputat pel seu “Traité de minéralogie” i pels seus coneixements sobre cristal•lografia. Eventualment, Lavoisier i Haüy foren empresonats. Davant de la situació i de la creixent prevenció contra els forasters, Del Río optà per anar-se’n a Anglaterra. El 8 de maig del 1794, en el mateix dia, Lavoisier i 27 persones més, foren jutjades, condemnades a mort i guillotinades. Haüy, en canvi, aconseguí la llibertat.
Del Río aconseguí un destí al Nou Món: ocupar la càtedra de química i mineralogia del Real Seminario de Minería de la Nueva España. El decret de creació d’aquest seminari s’havia fet en el 1792. El Real Seminario era sota la direcció de Fausto Elhúyar (1755-1833), reconegut per la identificació del nou metall conegut com a wolframi o tungstè. Del Río, passà d’Anglaterra a Espanya, s’embarcà a Cadis a bord del “San Francisco de Alcántara”, i arribà al port de Veracruz el 20 d’octubre del 1794.
El 17 d’abril del 1795 Del Río inaugurava a Ciudad de México el primer curs de mineralogia del Seminari. Com a material del curs va editar “Elementos de Orictognosia o del conocimiento de los fósiles, dispuestos según los principios de A. G. Werner”. En aquest context, i d’acord amb la mateixa terminologia de Werner, fòssil no és més que allò “que s’extreu de la terra”, d’acord amb el terme llatí, i el mot orictognòsia, fa referència a l’arrel ορειος, que vol dir “mont”, en equivalent al “berg” germànic.
Espècimen procedent de Mibladen (Midelt, Marroc) del mineral anomenat de vegades “plom roig”
Orictognòsia feia Del Río quan, en el 1801, estudiava una mostra del mineral com a plom roig, procedent de Zimapán. Aquest mineral era realment un mineral de plom, però les anàlisis químiques mostraven l’existència d’un altre metall, que Del Río sospitava que era desconegut. Va aconseguir d’aïllar l’òxid d’aquest metall i, degut a la diversitat de colors que presentava, el denominà “pancromi” (del grec παγχρώμιο , “tots els colors”). La diversitat de colors, però, era aparent, ja que les diverses preparacions, si eren escalfades, acabaven per virar a un color vermell característic, que era en darrer terme el que produïa la coloració del “plom roig”. Per aquesta raó, optà per redenominar-lo com a eritroni (del grec ερυθρός, vermell).
En el 1803, després d’un periple per les illes Canàries, el Carib, Nova Granada i Perú, Alexander von Humboldt arribava a Ciutat de Mèxic procedent d’Acapulco. L’estada a Mèxic fou de gairebé un any, i Del Río va fer de Humboldt un col•laborador del Seminari. Humboldt lloaria més tard els “Elementos de Orictognosia” com “la millor obra mineralògica que posseeix la literatura espanyola”. Humboldt i Del Río organitzaren excursions geològiques a Chapultepec, al Pedregal del Xitle i al Peñón de los Baños. Les mostres recollides eren sotmeses a anàlisis cristal•logràfiques i químiques.
Del Río mostrà a Humboldt, l’òxid d’eritroni i minerals que en contenien. Quan Humboldt partí de Mèxic, inclogué algunes mostres en la seva immensa col•lecció de materials. Humboldt partí de Mèxic el març del 1804, i després d’una estada a Filadèlfia, creuà l’Atlàntic el mes de juliol, per a arribar a Bordèu l’1 d’agost. Humboldt lliurà les mostres d’òxid d’eritroni a Hippolyte-Victor Collet-Descotils (1773-1815). Collet-Descotils havia tingut un paper rellevant en la descoberta de nous metalls, com el crom (1797) o l’iridi (1803). Collet-Descotils considerà que l’eritroni no era pas cap metall desconegut, sinó que era crom. Humboldt i Del Río acceptaren aquest parer.
En el 1805, Del Río fundà una siderúrgia a Coalcomán que, el 29 d’abril del 1807, entrà en funcionament. Es tractava de la primera planta siderúrgica de Mèxic, i l’objectiu era que, paulatinament, l’economia mexicana no depengués exclusivament de les importacions de ferro (bàsicament, de Biscaia).
El cicle revolucionari francès havia apagat els excessos del Terror, i del nou règim havia emergit la figura de Napoleó Bonaparte. En la pugna entre França com a potència continental i Anglaterra com a potència naval, l’Imperi Espanyol havia jugat una política ambivalent de guerres i aliances. La crisi de la monarquia espanyola, però, havia estat aprofitada per Bonaparte per fer-se amb el control de bona part de la península, i per entronitzar el seu germà gran, Josep, com a rei d’Espanya i de les Índies. Seguint l’exemple de les colònies nord-americanes, això desfermà moviments d’independència arreu de l’Amèrica espanyola. Mèxic no fou cap excepció. El conflicte prenia moltes formes. D’una banda hi havia la qüestió del conflicte dinàstic entre Borbons i Bonapartes. De l’altra, més poderosa encara, hi havia la qüestió de les relacions de poder entre els criolls i els peninsulars, i sobre el grau d’autonomia de Nova Espanya. El 1810-1811, esclatava ja un moviment nítidament independentista. Entre els qui defensaven la integritat de la “monarquia espanyola” i participaven, doncs, en les Corts de Cadis, que feren una “Constitució política de la monarquia espanyola”, també hi havia divisions segons el grau d’autogovern que volien per a Mèxic. La derrota napoleònica, la restauració de Ferran VII com a rei d’Espanya i l’afusellament del principal dirigent independentista mexicà, José María Morelos, el 22 de desembre del 1815, semblava que podia retornar les coses al punt inicial.
La posició de Manuel del Río com a director d’un organisme de la Corona (“Real Seminario”) i el seu propi origen peninsular (no havia arribat a Mèxic fins als 29 anys), el predisposava en el partit de la restauració. Però ja havia fet, essencialment, de Mèxic la seva pàtria. En el 1820, després de deu anys de lluita gairebé ininterrompuda, amb 1 milió de morts (una sisena part de la població de Nova Espanya), el Virregnat havia vist disminuir la seva producció minera en dos terços, amb l’abandonament de moltes explotacions. I no era tan sols Nova Espanya, sinó que a tota l’Amèrica Espanyola, el règim borbònic s’havia vist incapaç de posar fi als moviments d’emancipació. L’1 de gener del 1820 havia tingut lloc a Cabezas de San Juan, a Andalusia, el pronunciament militar del tinent coronel Rafael de Riego, comandant del que havia d’ésser una expedició contra la insurgència a l’Amèrica espanyola. Riego proclamava la restauració de la Constitució del 1812. La força del moviment liberal força el rei Ferran VII a acceptar la via constitucional, i a convocar Corts.
A Mèxic aquesta evolució obria un nou panorama, perquè el mateix partit conservador, agrupat al voltant d’Agustín de Iturbide, veia en la independència una manera d’evitar aquest curs de les coses. Alhora, el partit liberal havia de repensar les seves posicions. Manuel del Río, afí a les idees liberals, i cada vegada més nítidament partidari de la independència, fou elegit diputat a les Corts espanyoles. Del Río, després de més d’un quart de segle, tornava al Madrid natal.
El 27 de setembre del 1821 es proclamava unilateralment la independència de l’Imperi Mexicà, sota la regència d’Agustín de Iturbide. Iturbide havia aconseguit unificar els partidaris de la independència, sota una hegemonia conservadora i monàrquica. Del Río aprovà la decisió i tornà cap a Mèxic. Iturbide fou proclamat emperador el maig del 1822, i coronat el mes de juliol, com a Agustí I. Contra Iturbide s’organitzaren els republicans, i s’hi aliaren amb els borbonistes (partidaris d’entronitzar un Borbó com a emperador de Mèxic), aconseguint l’abdicació i exili d’Agustí I el març del 1823. El novembre del 1823, ajudats per una intervenció militar francesa, els absolutistes prenien el poder a Espanya, i es preparaven per desfer les independències americanes. Iturbide, de fet, tornà a Mèxic per advertir d’un d’aquests intents, però les noves autoritats provisionals el feren arrestar i afusellar. Conscients del perill espanyol, les autoritats mexicanes feren un intent frustrat de prendre Cuba (1828). L’intent més seriós de reconquesta espanyola de Mèxic fou en el 1829, emprant com a plataforma Cuba. Fou en aquest context, que les autoritats de la República Federal de Mèxic decretaren l’expulsió dels espanyols residents, fent-hi les excepcions oportunes. Entre les excepcions hi havia Manuel del Río, però no Fausto Elhúyar, director del Seminari. Del Río protestà la mesura, encara que no l’afectés personalment, i en no poder evitar les expulsions, emigrà cap als Estats Units d’Amèrica. Des de Filadèlfia trametré a París dues comunicacions sobre minerals de seleniür de zinc, del sulfur de mercuri i de iodur de mercuris, que foren publicades en l’Annals des Mines.
Del Río fou acollit a Filadèlfia, Pennsilvània. En aquesta ciutat revisà i reedità en el 1832, els “Elements d’Orictognòsia”, afegint-hi un annex amb “la sinonímia anglesa, alemanya i francesa”. L’obra anava destinada al Seminari Nacional de Mineria de Mèxic. L’obra també era actualitzada d’acord amb el sistema de símbols químics de Berzelius.
Nils Gabriel Sefström
El mateix any, Del Río va veure vindicada la seva descoberta de l’eritroni. En el 1831, Nils Gabriel Sefström (1788-1845), en el marc de la seva recerca sobre minerals de ferro per a la confecció d’acers de menor fragilitat, va descriure un òxid metàl•lic que no encaixava entre els descrits. Sefström assumí que era l’òxid d’un element metàl•lic prèviament desconegut, idea que sostingué amb més força en obtindre’n el clorur corresponent. En posar-hi nom triar primer el símbol químic, la inicial V, una de les lletres de l’alfabet que encara quedava per utilitzar. Cercant, doncs, un mot que comencés per V, Sefström es fixà en Vanadís, un dels noms de la dea Freyja (“dea dels vanir”, o senyora de les divinitats ctòniques), cosa que semblava pertinent, per la natura acolorida d’aquest òxid metàl•lic (Freyja és de la dea de la fertilitat i de la bellesa). Seström comunicà la descoberta amb un article a “Annalen der Physik”. Friedrich Wöhler (1800-1882) remarcà que el vanadi de Sefström coincidia amb l’eritroni de Del Río, i que tots dos eren metalls diferents del crom. George William Featherstonhaugh (1780-1866) considerà que, donada la prioritat temporal de la descoberta de Del Río, el nou element s’havia de denominar “rioni” (rionium), i així ho publicà en una lletra a The Monthly American Journal of Geology and Natural Science. En el mateix any del 1831, Jöns Jacob Berzelius reportà l’aïllament del metall. El fet que Berzelius acceptés l’escandinava denominació de vanadi i el símbol químic del V segellà la qüestió terminològica. Fins i tot, en el 1838, el “plom roig”, caracteritzat com un clorur de vanadat i plom, fou rebatejat com a vanadinita. En tot cas, es reconegué a Del Río com el descobridor de l’element, amb trenta anys de retard. Del Río no amagà en algunes ocasions un cert ressentiment envers Humboldt per haver-lo convençut del caràcter definitiu del judici de Collet-Descotils.
L’òxid, amb un color rogenc, hauria justificat amb escreix recuperar, en el 1831, el nom d’eritroni. No obstant, en part pel fet d’haver estat adoptat aviat pel mateix Berzelius, el nom de vanadi i el símbol químic V
En el 1834, una vegada revocat el decret d’expulsió del 1829, i ja consolidada la independència mexicana, Del Río tornà a Mèxic i reprengué la seva tasca al capdavant de la càtedra de Mineralogia del Seminari. Michel Chevalier (1806-1879), titulat ell mateix a l’École des mines en el 1829, diria arran d’una estada a Mèxic, que el curs de Del Río hauria estat digne de la mateixa Escola Politènica de París. Llavors Del Río ja era octogenari, consagrat com a acadèmic, valorat per les seves aportacions pràctiques a la indústria minera i reconegut per les seves recerques en química mineralògica. Es va morir a Ciutat de Mèxic el 23 de març del 1849, a 84 anys.
Henry Enfield Roscoe (1833-1915), en reproduir el mètode de Berzelius per aïllar vanadi metàl•lic, trobà que en realitat que aquest mètode donava lloc a nitrur de vanadi, per la reacció amb l’aire. En el 1867, Roscoe reeixí a obtindre vanadi metàl•lic a partir de la reducció de clorur de vanadi en presència de gas hidrogen. Això li permeté fer estudis pioners sobre aquest metall relativament poc conegut.
Entre els intents de perioditzar els elements químics, John Newlands havia postulat una llei d’octaus (1865). Newland assignava al vanadi un nombre atòmic de 45, coincident també amb el bari. D’acord amb aquest nombre, els dos elements, eren els membres del setè període del grup 3, encapçalat pel glucini (=beril•li) i integrat per metalls alcalino-terris i, a més, pel zinc, el cadmi i el mercuri.
Més difusió assolí la taula periòdica de Mendeleev del 1869. En aquesta taula, el vanadi apareix amb una massa atòmica de 51, se l’adscriu al quart període, i se li fa encapçalar un grup propi, en el qual hi ha també el niobi i el tàntal.
En el 1871, Mendeleev compacta la taula. El vanadi és comptat entre el grup V, és a dir el grup del nitrogen i del fòsfor. Aquest grup és definit per formar bihidrurs monovalents (per bé, que el nitrur de vanadi és VH) i pentòxids bivalents (i, en efecte, l’òxid de vanadi més habitual és V2O5). Diverses aportacions, com la de Charles Bury, en el 1921, conduirien desagregar aquest grup i a tornar a l’esquema de taula del 1869. El grup del vanadi (grup 5, grup VB o grup VA, segons les denominacions) quedà format pel vanadi, el niobi i el tàntal. Tots ells són, en estat element, metalls durs i refractaris.
”Halocynthia”, un gènere d’ascidiaci, que en la vida adulta es presenta com un organisme sèssil, és a dir fixat al substrat marí. Aquests animals invertebrats mostren, en el seu desenvolupament larvari, una corda dorsal, la qual cosa assenyala el seu parentiu amb els vertebrats. Malgrat que fa més de cent anys que hom sap que aquests organismes necessiten vanadi com a microelement essencial, encara és per resoldre el paper fisiològic d’aquest metall
En el 1911, Martin Henze descobrí que els hematòcits de les ascídies, les tomates de mar, contenien nivells inusitadament elevats de vanadi (Henze, 1911).
En paral•lel a aquesta curiositat zooquímica, el vanadi trobava per la mateixa època les primeres aplicacions industrials, com a constituent en aliatges d’acer per al xassís d’automòbils com el Ford Model T. L’aliatge de vanadi havia estat assajat ja en cotxes automobilístics, perquè permetien una reducció del pes mentre augmentaven la força tensil de l’acer.
En el 1925, Anton Eduard van Arkel (1893-1976) i Jan Hendrik de Boer (1899-1971), dissenyaren un mètode d’obtenció de vanadi de gran puresa, emprant el iodur de vanadi (VI2) com a pas intermedi. En el 1927, J. W. Marden & M. N. Rich, del Laboratori de Recerca de la Westinghouse Lamp Co., publicaven un mètode d’obtenció de vanadi metàl•lic a partir de la reducció de V2O5 amb calci líquid.
El vanadi: isòtops i abundància
La massa atòmica estàndard del vanadi és de 50,9415, valor que deriva de la ponderació dels dos isòtops (més) estables, el majoritari 51V i el minoritari 50V. Una llista completa dels isòtops coneguts faria:
– vanadi-40 (40V; 40,01109 uma). Nucli format per 23 protons i 17 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a titani-39, amb emissió d’un protó.
– vanadi-41 (41V; 40,99978 uma). Nucli format per 23 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a titani-40, amb emissió d’un protó.
– vanadi-42 (42V; 41,99123 uma). Nucli format per 23 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 5,5•10-8 s. Decau a titani-41, amb emissió d’un protó.
– vanadi-43 (43V; 42,98065 uma). Nucli format per 23 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,08 s. Decau a titani-43, amb emissió d’un positró.
– vanadi-44 (44V; 43,97411 uma). Nucli format per 23 protons i 31 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,111 s. Decau normalment (>99,9%) a titani-44 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%) a escandi-40 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (44mV) a 270 keV, amb una semivida de 0,150 s, que decau a titani-44.
– vanadi-45 (45V; 44,965776 uma). Nucli format per 23 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,547 s. Decau a titani-45, amb emissió d’un positró.
– vanadi-46 (46V; 45,9602005 uma). Nucli format per 23 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,4225 s. Decau a titani-46, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (46mV) a 801,46 keV, amb una semivida de 0,00102 s, que decau a l’estat basal.
– vanadi-47 (47V; 46,9549089 uma). Nucli format per 23 protons i 24 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1960 segons (33 minuts). Decau a titani-47, amb emissió d’un positró.
– vanadi-48 (48V; 47,9522537 uma). Nucli format per 23 protons i 25 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,38011•106 s (16 dies). Decau a titani-48, amb emissió d’un positró.
– vanadi-49 (49V; 48,9485161 uma). Nucli format per 23 protons i 26 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,84•107 s (329 dies). Decau, per captura electrònica, a titani-49.
– vanadi-50 (50V; 49,9471585 uma). Nucli format per 23 protons i 27 neutrons. És un isòtop inestable, però amb una semivida tan llarga, de 4,4•1024 s (deu milions de vegades superior a l’edat actual de l’univers), que a efectes pràctics el podem considerar estable. Decau majoritàriament (83%) a titani-50 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (17%) a crom-50 (amb emissió d’un electró). En tot cas, la dotació inicial de 50V del nostre planeta (on és un isòtop primordial) es manté virtualment intacta. L’abundància típica és de 0,25%, amb oscil•lacions mostrals que van de 0,2487% al 0,2502%.
– vanadi-51 (51V; 49,9471585 uma). Nucli format per 23 protons i 28 neutrons. És l’únic isòtop realment estable del vanadi i, alhora, n’és el majoritari, amb una abundància relativa del 99,75%. Les oscil•lacions mostrals poden anar de 99,7498% a 99,7513%.
– vanadi-52 (52V; 51,9447755 uma). Nucli format per 23 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 208,4 s (- vanadi-53 (53V; 52,944338 uma). Nucli format per 23 protons i 30 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 96 segons. Decau a crom-53, amb emissió d’un electró.
– vanadi-54 (54V; 53,946440 uma). Nucli format per 23 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 49,8 s. Decau a crom-54, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (54mV) a 108 keV, amb una semivida de 9,00•10-7 s.
– vanadi-55 (55V; 54,94723 uma). Nucli format per 23 protons i 32 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,54 s. Decau a crom-55, amb emissió d’un electró.
– vanadi-56 (56V; 55,95053 uma). Nucli format per 23 protons i 33 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,216 s. Decau normalment (>99,9%) a crom-56 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a crom-55 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– vanadi-57 (57V; 56,95256 uma). Nucli format per 23 protons i 34 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,35 s. Decau normalment (>99,9%) a crom-57 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a crom-56 (<0,1%; amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– vanadi-58 (58V; 57,95683 uma). Nucli format per 23 protons i 35 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,191 s. Decau normalment (>99,9%) a crom-58 (amb emissió d’un electró) o, alternativament a crom-57 (<0,1%; amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– vanadi-59 (59V; 58,96021 uma). Nucli format per 23 protons i 36 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,075 s. Decau normalment (>99,9%) a crom-59 (amb emissió d’un electró) o, alternativament a crom-58 (<0,1%; amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– vanadi-60 (60V; 59,96503 uma). Nucli format per 23 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,122 s. Decau normalment (>99,9%) a crom-60 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%) a crom-59 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix dos estats metastables, un a 0,1 keV (60m1V; amb una semivida de 0,040 s) i un altre a 101 keV (60m2V; amb una semivida de poc més de 4•10-7 s).
– vanadi-61 (61V; 60,96848 uma). Nucli format per 23 protons i 38 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0470 s. Decau a crom-61, amb emissió d’un electró.
– vanadi-62 (62V; 61,97378 uma). Nucli format per 23 protons i 39 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0335 s. Decau a crom-62, amb emissió d’un electró.
– vanadi-63 (63V; 62,97755 uma). Nucli format per 23 protons i 40 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,017 s. Decau a crom-63, amb emissió d’un electró.
– vanadi-64 (64V; 63,98347 uma). Nucli format per 23 protons i 41 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s.
– vanadi-65 (65V; 64,98792 uma). Nucli format per 23 protons i 42 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s.
L’àtom neutre de vanadi conté 23 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d34s2. Pertany al quart període, i és el primer element assignat al “grup 5”, un dels grups de metalls de transició. L’estat d’oxidació més habitual del vanadi és el +5 (corresponent a la ionització dels electrons dels nivells 4s i 3d), encara que també el podem trobar amb estats de +4, +3, +2, +1 i -1. El seu radi atòmic és de 1,34•10-10 m.
Tres barres de cristalls de vanadi (99,9%). El color verd de les dues primeres és degut a la formació de capa superficial d’òxid. Al costat hi ha un cub de vanadi de major puresa (99,95%)
En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el vanadi es presenta com un sòlid metàl•lic, amb una coloració de blau acer, de 6000 kg•m-3 de densitat, de considerable duresa (6,7 en l’escala de Moss), dúctil i mal•leable. Malgrat la duresa, superior a la de la majoria de metalls i aliatges, no és gens fràgil. Resisteix la corrosió, fins i tot davant de substàncies càustiques o àcides (H2SO4, HCl). Tot i amb tot, el vanadi elemental, exposat a l’aire, forma una capa superficial d’òxid. Per tal que l’oxidació sigui completa, en condicions d’aire atmosfèric, cal una temperatura de 933 K.
En condicions estàndards de pressió, el punt de fusió del vanadi metàl•lic es troba a 2183 K. La densitat del vanadi líquid en aquest punt és de 5500 kg•m-3.
El punt d’ebullició, en condicions estàndards de pressió, és de 3680 K.
La reactivitat del vanadi metàl•lic, que pot adoptar estats d’oxidació de 2-5, facilita la formació d’un ample ventall de compostos, des dels més reductors (+2) als més oxidants (+5). El compost més habitual i rellevant és el pentòxid de divanadi (V2O5), emprat com a oxidant en la producció d’àcid sulfúric:
(1) V2O5 + SO2 → 2 VO2 + SO3
(2) 2 VO2 + O2 → V2O5
Un altre compost d’interès és el clorur de vanadi (VCl4), emprat com a catalitzador en la polimerització de diens. Entre els compostos organovanàdics, podem esmentar el diclorur de vanadocè (C10H10Cl2V), amb aplicacions en reaccions de síntesi de química orgànica.
En solucions aquoses, segons les condicions de potencial i de pH, trobem fins a 11 espècies d’oxianions de vanadi. A dalt, tenim el diagrama de Pourbaix sobre la prevalença de les diferents formes. A sota veiem diversos colors d’espècies aquoses de vanadi, que expliquen el nom de pancromi que Del Río emprà originàriament per designar aquest element: lila (estat d’oxidació +2, [V(H2O)6]2+); verd (estat d’oxidació +3, [V(H2O)6]3+); blau (estat d’oxidació +4, [V(H2O)5]2+); i groc (estat d’oxidació +5, [V(H2O)5]3+))
L’abundància del vanadi en l’univers és condicionada per les reaccions de nucleosíntesi que tenen lloc en les supernoves. Com correspon als elements de Z senar, és menys abundant que els elements que el precedeixen (titani) i segueixen (crom) en la taula periòdica. De fet, entre els elements de Z inferior, tan sols hi ha quatre que siguin menys abundant que el vanadi: el liti, l’escandi, el bor i el beril•li. Dels elements de Z superior, el vanadi és menys abundant que tots els que el segueixen immediatament (crom, manganès, ferro, cobalt, níquel, coure, zinc), però més enllà tots ho són menys que el vanadi.
En el nostre Sistema Solar, el vanadi és detectable en el Sol, però les majors concentracions les trobem en els planetes rocallosos. En termes atòmics, l’abundància del vanadi al planeta Terra és de 53,6 ppm, que es tradueix a 105 ppm, si ho expressem en termes de massa. Com a element litòfil, l’abundància puja una mica més, fins a 160 ppm, quan ens centrem en l’escorça terrestre. En termes atòmics, en l’escorça continental superior, supera al crom, al cobalt o al níquel.
El vanadi en l’escorça terrestre es troba essencialment en forma d’òxids, de sulfurs i d’halurs, i no se l’ha descrit en estat metàl•lic. Un total de 65 minerals integren aquest element en la seva composició. D’una banda, els minerals de vanadats, que poden contindre ortovanadat (VO43+), pirovanadat (V2O74-), etc. Els vanadats apareixen en algunes categories del grup 08 de la classificació de Nickel-Strunz, dedicada als fosfats (08.D; 08.F, amb els polivanadats). De l’altra banda, hi ha minerals de vanadi com la patronita (VS4).
La producció anual mundial de vanadi ronda les 63.000 tones. Una bona part de la producció deriva de cossos de gabre ultramàfic, on es troba contingut en magnetites, i és recuperat de l’escòria (en la qual, segons els mineral emprat, pot arribar al 25%). Els minerals de vanadi pròpiament dits ocupen un lloc secundari en la producció, però paga la pena esmentar la vanadinita (Pb5(VO4)3Cl), la carnotita (K2(UO2)2(VO4)2•3H2O) i la patronita.
La patronita, un mineral de sulfur de vanadi, fou descrita originàriament en el 1906 en una mina de minerals de vanadi a Mina Ragra (Junín, Cerro de Pasco, Perú), i se la va batejar en honor d’Antenor Rizo-Patrón, el descobridor del dipòsit
Superior al vanadi mobilitzat per l’explotació d’aquests minerals, hi ha la quantitat de vanadi alliberat i no aprofitat com a subproducte de l’extracció de combustibles fòssils, de la bauxita o de minerals d’urani. De fet, en el procés de refinat dels combustibles fòssils, cal minimitzar les traces de vanadi, que actuarien com a agents corrosius a alta temperatura en calderes, motors, etc.
Peces de ferrovanadi
Les principals aplicacions quantitatives del vanadi (85%) s’associen a l’obtenció de ferrovanadi. El ferrovanadi s’aconsegueix en el forn elèctric a partir de la reducció de magnetites que contenen una barreja d’òxids de ferro i de vanadi i de ferro metàl•lic. El ferrovanadi, directament o a additiu d’acer, té nombroses aplicacions en la confecció de components crítics que requereixen una major força. El vanadi també entra en la composició d’un dels aliatges de titani de major aplicació, el 6AL-4V (90% Ti, 6% Al, 4% V). Els compostos amb silici (V3Si) i amb gal•li (V3Ga) ha trobat aplicacions com a superconductors.
Per a l’obtenció de vanadi metàl•lic, els minerals de vanadi són esmicolats i escalfats a 1120 K, en presència de NaCl o Na2CO3. En resulta metavanadat sòdic (NaVO3) que és extret en aigua i acidificat fins a donar un polivanadat de color vermell característics que és reduït amb calci metàl•lic. Existeixen altres processos on el vanadi apareix com a subproducte.
p>La presència del vanadi en la hidrosfera és variable. Les concentracions oceàniques es valoren en 2,5 mg•m-3.
El vanadi és present en l’atmosfera en forma de traces. Hom calcula que el consum de combustibles fòssils allibera a l’atmosfera anualment 110.000 tones de vanadi (és a dir, el doble de la producció industrial útil de vanadi).
El vanadi és un oligoelement essencial per a un ample ventall d’organismes. Se l’ha descrit com a cofactor d’enzims, col•lectivament designats com a vanadoenzims. És el cas d’algunes bromoperoxidases, enzims responsables de la síntesi natural de compostos bromoorgànics (produccions anuals de l’ordre de 1-2 milions de tones de bromoform i 56 mil tones de bromometà) i que trobem en diferents organismes de fitoplàncton marí. Encara que en les nitrogenases, els cofactors metàl•lics més habituals són el molibdè o el ferro, també s’ha descrit en Azotobacter, complementàriament, una vanadi-nitrogenasa (Robson et al., 1986).
En la V-bromoperoxidasa, el vanadi s’associa covalentment amb el grup imidazol de la histidina situada en el centre actiu de l’enzim. La interacció amb un ió bromur (Br–) i un substrat orgànic permet la formació d’un enllaç C-Br
Hom ha descrit l’acumulació de vanadi en diversos teixits biològics de diferents organismes. En bolets com Amanita muscaria, l’acumulació de vanadi pot ser considerable, fins a arribar a valors de 500 mg•kg-1 pes sec, en cossos fructífers. Kneifel & Bayer (1986) identificaren que bona part del vanadi d’aquests bolets es troba en forma d’amavadina.
Amavadina. La funcionalitat biològica d’aquests compost encara no ha estat aclarida
Des de fa cent anys, se sap que moltes espècies de tunicats emmagatzemen vanadi. En aquests organismes, el vanadi es concentra en vacuoles altament acidificades d’algunes cèl•lules dels fluids corporals (sang o celoma, segons els gustos terminològics). De fet, hom ha anomenat vanadòcits, a aquestes cèl•lules. L’acumulació en les vacuoles requereix de tot un sistema de proteïnes, en el qual participen, per exemple, les vanabines, proteïnes d’unió a V, presents en el citoplasma dels vanadòcits. Si la concentració de vanadi en el medi marí és de l’ordre de 1-2 μg•L-1, en la sang d’aquests animals, els valors arriben 10-20 g•L-1 (set ordre de magnitud!). De bell antuvi hom pensà que, com aquests vanadòcits, tendeixen a acumular-se en la túnica o paret corporal, el vanadi podria funcionar contra els depredadors. Però no és una cosa que hagi quedat aclarida.
En l’espècie humana, no hi ha cap signe d’acumulació específica de vanadi. En termes de massa, la concentració típica és de 0,26 ppm, la qual cosa suposen 0,11 g en el total d’un cos de 70 kg.
El vanadi com a bioelement
D’acord amb els estudis de toxicitat, hom ha estimat el límit d’exposició a V2O5 durant la jornada laboral de 0,05 mg•m-3 en pols i de 0,1 mg•m-3 en fums. Concentracions en l’aire superiors a 35 mg•m-3 haurien de ser considerades de perill immediat. Els valors per a altres compostos de vanadi són diferents. Com que els compostos de vanadi no són absorbits fàcilment pel sistema digestiu, els riscos d’exposició s’associen sobretot amb el sistema respiratori. El mecanisme de la toxicitat de l’ió vanadat (VO43-) s’ha lligat tradicionalment a un desplaçament de l’ió fosfat (PO43-), però no és del tot clar que això sigui així.
Però, al capdavall, qualsevol substància, com ens recordava Paracels, serà verí d’acord amb la dosi. La qüestió més difícil de respondre és sobre el paper fisiològic que pot jugar el vanadi en l’organisme humà.
Schwarz & Milne (1971) determinaren que el vanadi és un element necessari per a rates en creixement. Ho feren en rates mantingudes en dietes controlades, garantint una absència gairebé completa i específica del vanadi. L’efecte de la privació de vanadi era una reducció de la taxa de creixement. Per evitar-ho, l’administració òptima de vanadi era de 0,1 mg/kg d’aliments, en forma d’ortovanadat sòdic. Si per comtes d’ortovanadat, s’administrava metavanadat l’efecte era menor i, si s’administrava pirovanadat, absent. Experiments similars en pollastres, mostraven que el vanadi era un element essencial per al creixement.
En tot cas, aquests experiments clàssics indicaven ben clarament que els requeriments de vanadi eren extraordinàriament modestos, assequibles amb l’alimentació normal.
Per desgràcia, és habitual que migrades dades obtingudes en la recerca bàsica siguin amplificades en pràctiques més que dubtoses. Així s’esdevé amb la pràctica dels suplements dietaris de vanadi. Hom l’ha proposat com una manera d’augmentar la sensibilitat a la insulina i, a través d’aquest efecte o d’altres, com un suplement per als culturistes. No hi ha, però, cap indici sòlid de l’efectivitat del vanadi per a aquestes finalitats culturistes. El sulfat de vanadil (VOSO4) ha estat investigat com a eina en el control dels nivells de glucèmia en la diabetis de tipus 2. La recerca sobre l’activitat biològica d’aquests i d’altres compostos de vanadi continua activa. En tot cas, sembla que l’aportació diària habitual en els aliments (molt variable, amb un ventall que va de 0,01-2 mg) és més suficient per cobrir les necessitats de les persones sanes.
Des de la Mediterrània 