Vanadio

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Vanadio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
metallo grigio-argenteo
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico vanadio, V, 23
Serie metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco 5, 4, d
Densità 6110 kg/m3
Durezza 7,0
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 50,9415 amu
Raggio atomico (calc.) 135 (171) pm
Raggio covalente 125 pm
Configurazione elettronica [Ar]3d34s2
e per livello energetico 2, 8, 11, 2
Stati di ossidazione 5,3 (anfotero)
Struttura cristallina cubico a corpo centrato
Proprietà fisiche
Stato della materia Solido
Punto di fusione 2175 K (1902 °C)
Punto di ebollizione 3682 K (3409 °C)
Volume molare 8,32 × 10-6  m3/mol
Entalpia di vaporizzazione 0,452 kJ/mol
Calore di fusione 20,9 kJ/mol
Tensione di vapore 3,06 Pa a 2175 K
Velocità del suono 4560 m/s a 293.15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-62-2
Elettronegatività 1,63 (scala di Pauling)
Calore specifico 490 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica 4,89 × 106 /(m·ohm)
Conducibilità termica 30,7 W/(m*K)
Energia di prima ionizzazione 650,9 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1414 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 2830 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 4507 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione 6298,7 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
48V sintetico 15,9735 giorni ε 4,012 48Ti
49V sintetico 330 giorni ε 0,602 49Ti
50V sintetico 1,4×1017 anni ε
β
2,208
1,037
50Ti
50Cr
51V 100% V è stabile con 28 neutroni
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il vanadio è l'elemento chimico di numero atomico 23. Il suo simbolo è V. È un elemento raro, duro e duttile, che si trova sotto forma di composto in certi minerali. Si usa soprattutto in metallurgia, per la produzione di leghe.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Il vanadio è stato inizialmente scoperto da Andrés Manuel del Río, un mineralogista spagnolo, a Città del Messico nel 1801, che lo chiamò "piombo bruno". Attraverso una serie di esperimenti chimici, notò che il materiale assumeva colorazioni simili a quelle del cromo, lo chiamò quindi paracromo. Successivamente, osservando che la maggior parte dei suoi sali avevano colorazione rossa, cambiò nuovamente il nome in eritronio. Un chimico francese suggerì che l'elemento scoperto da del Río altro non fosse che del cromo impuro, del Río pensò di essersi sbagliato ed accettò l'affermazione.

Nel 1831 lo svedese Nils Gabriel Sefström riscoprì il vanadio in un ossido trovato mentre lavorava su alcuni minerali ferrosi e successivamente durante lo stesso anno Friedrich Wöhler confermò la validità del precedente lavoro di del Río.

Il vanadio metallico fu isolato per la prima volta da Henry Enfield Roscoe nel 1867, che lo ottenne per riduzione del cloruro di vanadio(II) (VCl2) con l'idrogeno.

Il nome "vanadio" deriva dal nome della dèa Vanadis, dèa della bellezza nella mitologia norrena. Fu scelto per la bellezza e per la varietà dei colori dei composti del vanadio.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Barra di vanadio, mediante processo van Arkel-de Boer

Il vanadio è presente con abbondanza dello 0,0136% (136 ppm) cioè è il quinto elemento per abbondanza tra gli elementi di transizione (dopo ferro, titanio, manganese e zirconio).

Il vanadio è un metallo bianco lucente, duro e duttile. Ha una buona resistenza alla corrosione da parte degli alcali, dell'acido solforico e dell'acido cloridrico. Esposto all'aria si ossida rapidamente a temperature superiori a 933 K (660 °C).

Il vanadio ha una buona consistenza ed una piccola sezione d'urto con i neutroni provenienti dalla fissione nucleare, ciò lo rende adatto per l'impiego in applicazioni legate alla produzione di energia nucleare.

Chimicamente manifesta un comportamento intermedio tra metallo e non-metallo, sia acido che basico.

Gli stati di ossidazione più frequentemente assunti dal vanadio nei suoi composti sono +2, +3, +4 e +5. In un esperimento di laboratorio è possibile osservare colorimetricamente il passaggio del vanadio attraverso questi stati di ossidazione durante la riduzione del vanadato di ammonio NH4VO3 con zinco metallico.

In rari casi il vanadio può assumere anche numero di ossidazione +1.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Circa l'80% del vanadio prodotto viene usato come lega ferro-vanadio o come additivo per l'acciaio. Tra gli altri usi rientrano:

Ruolo biologico[modifica | modifica sorgente]

Avvertenza
Le informazioni qui riportate non sono consigli medici e potrebbero non essere accurate. Questa voce ha solo scopo illustrativo e non sostituisce il parere di un medico: leggi le avvertenze.

Un atomo di vanadio è il componente essenziale di alcuni enzimi, in particolare la vanadio-nitrogenasi, usata da alcuni microorganismi per fissare l'azoto. Il vanadio è essenziale per alcuni organismi marini - gli ascidiacea ed i tunicati - dove è presente nelle proteine del loro sangue in concentrazione anche un milione di volte superiore a quella dell'acqua marina circostante. Piccole quantità di vanadio sono essenziali anche per i topi ed i polli, in cui una carenza può portare ad una crescita ridotta ed a problemi nella riproduzione.

Dalla sperimentazione su alcuni modelli animali ed umani, la somministrazione di composti di vanadio sembra poter alleviare i sintomi del diabete mellito, similmente all'effetto del cromo sul metabolismo degli zuccheri. Una larga parte della ricerca è stata dedicata al diabete mellito con lo scopo di trovare un migliore trattamento per questa complessa malattia. In particolare, la ricerca fisiopatologica nei ratti, suggerisce che il vanadio potrebbe essere un possibile agente terapeutico grazie alla sua attività sulla secrezione insulinica ed alle sue proprietà insulino-simili a livello periferico. Infatti, la dimostrazione che tracce dell'elemento vanadio, posseggano capacità analoghe all'insulina nelle cellule isolate, nei tessuti ed in vivo, ha generato un notevole entusiasmo per il suo potenziale valore terapeutico nel diabete umano.

La letteratura scientifica ha però pubblicato studi volti a delucidare i meccanismi con cui il vanadio esercita i suoi effetti insulino-simili. Innanzitutto, il vanadio come ione metallico (V+3 o V+5) di per sé non rappresenta la specie biologica attiva al riguardo. Lo ione vanadato (VO3-) possiede già effetti biologici dato che è risultato inibire l'attività di alcune fosfo-proteina fosfatasi, in particolare quelle che staccano i gruppi fosfato dai residui di tirosina (fosfotirosin-fosfatasi o PTPs). Il suo effetto riguarda anche la PTP-1B, che è la fosfotirosina fosfatasi che disattiva il recettore insulinico e che sembra funzionare in modo esagerato nel diabete mellito. Ancora più attivo del vanadato è lo ione perossi-vanadato (-O-O-VO2), che inibisce la PTP-1b con meccanismo ossidoriduttivo. Nel sito catalitico dell'enzima, infatti, esiste un residuo di cisteina molto reattivo che è stato provato essere il bersaglio degli anioni del vanadio.

È chiaro che il trattamento con vanadio porta alla correzione di diverse anomalie associate al diabete, nel metabolismo glucidico e lipidico e nell'espressione genica. Comunque, molti di questi effetti insulino-simili in vivo possono essere attribuiti all'osservazione che il potere ipoglicemizzante del vanadio dipende dalla presenza di insulina endogena, mentre il fatto che l'omeostasi metabolica nei modelli animali non sembra essere interessata, testimonia che il vanadio non agisce del tutto indipendentemente in vivo, bensì aumenta la sensibilità dei tessuti a bassi livelli plasmatici d'insulina.

Un'altra considerazione cruciale è la dipendenza dalla dose, poiché gli effetti insulino-simili del vanadio nelle cellule isolate, sono stati spesso provati ad alte concentrazioni, che non sono normalmente raggiunte nel trattamento cronico in vivo, potendo indurre effetti collaterali tossici.

Inoltre, il vanadio sembra essere selettivo per specifiche funzioni dell'insulina in alcuni tessuti, mentre non riesce ad influenzarne altre.

Quindi, l'obiettivo è quello di verificare l'evidenza che il vanadio sia o meno un agente insulino-simile a basse concentrazioni in vivo. Considerando gli effetti del vanadio sul metabolismo glucidico e su quello lipidico, si può concludere che esso non agisce globalmente, ma in modo selettivo, migliorando piuttosto che imitando gli effetti dell'insulina in vivo.

Alla luce di quanto sopra, le proprietà antidiabetiche dei derivati del vanadio, prospettano una nuova classe di composti con promettenti capacità terapeutiche e favorevoli caratteristiche farmacocinetiche, dovute innanzitutto alla via di somministrazione orale.

Bibliografia

  • Mechanism of Vanadium action: insulin-mimetic or insulin-enhancing agent? [Can J Physiol Pharmacol 2000 Oct; 78 (10):829-47]
  • Vanadium and diabetes: pancreatic and peripheral insulinomimetic properties [Ann Pharm Fr 2000 Oct; 58 (5):531].
  • Marfaing-Jallat P, Penicaud L. Effect of vanadium on regional brain glucose utilization in rats. Physiol Behav. 1993 Aug; 54(2):407-9.
  • Kiersztan A et al. Inhibition of gluconeogenesis by vanadium and metformin in kidney-cortex tubules isolated from control and diabetic rabbits. Biochem Pharmacol. 2002 Apr 1; 63(7):1371-82.

Disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Il vanadio non si trova mai puro in natura, ad eccezione del fungo Amanita muscaria, che ne contiene in minime dosi. Poi solo allo stato di composto con altri elementi. È presente in circa 65 minerali, tra cui la patrónite (VS4), la vanadinite [Pb5(VO4) 3Cl] e la carnotite [K2(UO2)2(VO4)2·3H2O]. Il vanadio è anche presente nella bauxite ed in giacimenti di combustibili fossili quali petrolio, carbone e sabbie catramose.

Lo spettro del vanadio è stato anche osservato nella luce del Sole e di alcune altre stelle.

Molto del vanadio metallico prodotto viene ottenuto dalla riduzione del pentossido di vanadio (V2O5) con calcio metallico o, in quantitativi minori, attraverso il processo van Arkel-de Boer.

Composti[modifica | modifica sorgente]

Il pentossido di vanadio (V2O5) si usa come catalizzatore e come fissante per colori. Di colore giallo. È estremamente tossico se respirato, ed è anche pericoloso per l'ambiente.

Il Vanadilsolfato (VOSO4), detto anche solfato ossido idrato di vanadio (IV), viene usato (ma la sua utilità è controversa) come integratore dietetico per aumentare i livelli di insulina e nel culturismo. Se sia realmente efficace per i culturisti resta comunque da dimostrare; in ogni caso, tale composto è tossico ad alte dosi.

I vanadati, sali ottenuti dall'acido vanadico, sono generalmente molto colorati (perlopiù nello spettro cromatico del giallo) e molti trovano impiego come pigmenti per applicazioni vernicianti o dove siano richieste caratteristiche che i pigmenti organici non raggiungono. Il monovanadato di sodio è il più semplice, mentre molto usato è il vanadato di bismuto. I vanadati sono generalmente tossici, soprattutto quelli più solubili come il vanadato d'ammonio che vengono assorbti velocemente dall'organismo.

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Il vanadio in natura è costituito di un solo isotopo, il 51V, che è l'unico stabile. Sono stati sintetizzati altri 15 radioisotopi, di cui i più stabili sono il 50V con una emivita di 1.4E17 anni, il 49V con 330 giorni, e il 48V con 15.9735 giorni. Tutti gli altri isotopi hanno emivite di meno di un'ora, e anzi la maggioranza non raggiunge i 10 secondi. Il vanadio ha anche un meta stato.

Gli isotopi di vanadio vanno in peso atomico da 43.981 amu (43V) a 59.959 amu (49V). Il modo di decadimento più frequente prima dell'isotopo stabile più abbondante (il 51V) è la cattura elettronica, che produce isotopi di titanio; il modo di decadimento più frequente dopo di esso è il decadimento beta, che produce isotopi di cromo.

Precauzioni[modifica | modifica sorgente]

Il vanadio in polvere è infiammabile e tutti i suoi composti sono considerati altamente tossici, causa di cancro alle vie respiratorie quando vengono inalati. Il più pericoloso è il pentossido di vanadio.

L'OSHA (l'ente statunitense per la sicurezza sul lavoro) ha fissato un limite di esposizione TLV-TWA di 0,05 mg/m3 per il pentossido di vanadio in polvere e di 0,1 mg/m3 per i vapori del medesimo. Un limite di 35 mg/m3 di composti di vanadio è considerato critico; non va mai superato in quanto è alta la probabilità che causi danni permanenti o la morte.

Citazioni letterarie[modifica | modifica sorgente]

Curiosità[modifica | modifica sorgente]

Dal vanadio prende il nome una celebre band metal italiana, i Vanadium.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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