世界地球日科普宣传|钒：被两次发现的“女神”

钒，英文名称：Vanadium，作为元素周期表中第四周期第五副族（VB族）的过渡金属，以其独特的物理和化学性质，为现代工业带来了革命性的影响，被誉为钢中“维生素”的同时，还是名副其实的“女神”。本文将带您走进钒的世界，了解这位“女神”的历史、性质、应用以及对现代科技的贡献。

1. 钒的发现与命名——不自信的德·里奥

1801年，一名西班牙化学家德·里奥在新大陆墨西哥城正在研究当地的一种“棕铅矿”，惊讶的发现从中提取的盐类颜色多种多样，但加热后又都会变为红色。德·里奥认为其中可能有一种新的元素，但法国科学家迪科迪斯却认为他只不过是提取出了一种不纯的铬盐，最终不自信的德·里奥接受了迪科蒂斯的建议，撤回了自己发现新元素的报告。时间很快来到1830年，瑞典科学家塞夫斯托姆博士在从事提炼球墨铸铁的研究时，重新发现了这种新元素，由于它的化合物五颜六色，十分美丽，所以用古希腊神话中的美丽之神“凡娜迪丝”来命名它，中文按其译音定名为钒。幸运的是，塞夫斯托姆的导师，著名的瑞典化学家贝采尼乌斯对塞夫斯托姆的发现兴趣浓厚，在国际上宣布了塞夫斯托姆的发现并就钒盐开展了大量研究工作。尽管后来被指出塞夫斯托姆发现的钒就是之前德·里奥发现的新元素，但钒的名字仍然采用塞夫斯特瑞姆建议的“女神”。然而，和其他过渡元素一样，单质钒也很难被分离出来。虽然贝采尼乌斯宣布得到了金属钒，但在1867年，英国化学家罗斯科发现那不过氮化钒，他用氢气还原二氯化钒才第一次制得了金属钒。至此，我们这位“女神”终于离开她的神殿，真正的出现在普罗大众面前。

2. 钒的基本性质

钒，除了与女神凡娜迪斯一样拥有美丽、多变的外表外，同样也有着极为特殊的物理化学性质。钒的原子序数为23，化学符号为V，是一种闪亮的银灰色金属，相对密度为6.11g/cm³（19℃），熔点1917℃，沸点3421℃，电阻率24.8x10⁻⁸Ω·m（20℃），属于高熔点稀有金属之列。纯钒质坚硬，无磁性，具有延展性，但在加入少量氮，氧，氢等元素后，能显著降低其可塑性。

钒的化学性质和钽、铌相似，这为它们三个在元素周期表中共建一个分族建立了基础。钒属于中等活泼的金属，化合价+2、+3、+4和+5，这也是钒的化合物五颜六色的原因。在水溶液中，钒易形成各种价态的金属离子水合物：[V(H₂O)₆]²⁺，[V(H₂O)₆]³⁺，[VO(H₂O)₅]²⁺，VO^3-，分别是淡紫色、绿色、蓝色和黄色。其中以+5价为最稳定，其次是+4价，五价钒的化合物具有氧化性能，低价钒则具有还原性，钒的价态越低还原性越强。此外，钒还具有耐盐酸和硫酸的本领，并且在耐气、耐盐、耐水腐蚀的性能要比大多数不锈钢好。在与多种元素融合后形成的合金，性能显著提高，尤其是与铁、铬、铝等元素的结合。

3. 钒的来源

钒是地球上广泛分布的微量元素，其含量约占地壳构成的0.02%，在65种矿物中都能找得到钒，最常见的如绿硫钒石（四硫化钒）、钒铅矿、钒钾铀矿等，这些五颜六色的矿物经常和铝土矿、磁铁矿伴生。世界上已知的钒储量有98%产于钒钛磁铁矿。除钒钛磁铁矿外、钒资源还部分赋存于磷块岩矿，含铀砂岩，粉砂岩，铝土矿，含碳质的原油、煤、油页岩及沥青砂中。

钒钛磁铁矿是钒资源的主要来源，钒钛磁铁矿中钒含量很低，但它的储量巨大，达400亿t以上。主要分布在中国、南非和俄罗斯。中国作为世界钒资源大国，储量基础1400万t，居世界首位。其主要含钒资源有钒钛磁铁矿型和含钒炭质页岩与石煤矿，两者分别分布于四川、川湘黔鄂滇一带。

4. 钒的应用领域

作为“女神”的钒，用途非常广泛。钒在钢铁工业、冶金化工、航空航天、国防军工、医药、颜料、玻璃、新能源电池等领域均有重要应用，有“金属维生素”、“化学面包”、“现代工业的味精”之称。

在早期钒作为一种化学化合物来应用，如墨水黑色剂和织物固苯胺黑色染料。19世纪末，英国谢菲尔德大学阿诺德教授开始研究钒在各种钢中的合金化作用。阿诺德等人在谢菲尔德大学的研究工作奠定了钒在整个工、模具钢领域的应用基础。由于钒碳化物的高硬度以及其高温稳定性，钒在高速钢、冷作和热作模具钢中获得广泛应用。

到1900年，德国科学家发现钒盐可以作为很多化学反应的催化剂，这一发现使钒作为一种化学试剂得到了重要应用。由于钒在不同氧化态之间的可逆转变，钒的氧化物现已成为化学工业中最佳催化剂之一，钒催化剂广泛应用于有机合成、环境保护和能源领域，例如合成丙烯酸、氨合成、脱硫和催化脱氧等反应。

在航空航天领域，钒合金被用于制造飞机发动机的涡轮叶片和航天器的结构部件，以承受极端的温度和压力条件。在能源领域，钒同样发挥着作用，特别是在全钒氧化还原液流电池中，这种电池因其高安全性和长寿命而备受关注。在环境污染治理中，钒氧化物被广泛应用于废气脱硝、废水处理和有毒废物处理等领域。钒催化剂可以高效催化氮氧化物的还原和分解，从而减少大气污染物的排放。此外，钒还与人体的神经、造血、心血管系统和胆固醇代谢及肾、肝、骨骼等有着极密切的联系，比如可以促进糖的代谢，促进血红细胞生长，具有良好的类胰岛素作用，可保护胰岛细胞，降低体内血糖含量。同时，过量的钒也会导致胃肠道不适、呕吐、腹泻、头痛、头晕等毒性反应，以及神经系统问题与免疫系统功能抑制。

5. 结语

随着本文对钒这一元素的探索接近尾声，我们不仅惊叹于它在自然界中的奇特存在，也对其在现代科技和工业中的关键作用有了更深刻的认识。然而钒的故事远未结束，随着科技的不断进步，未来钒的应用领域有望进一步扩展。它可能会在生物医学、航空航天乃至更多我们尚未预见到的领域中发挥重要作用，这正是科学探索的魅力所在。

最后，感谢您阅读本文，希望您能从中获得启发，并对钒这一神奇的元素有了更深入的了解。愿钒的坚韧与多彩，能够激发您对科学世界的无限想象。