Periodensystem: Vanadium

Reines Vanadium ist ein grau glänzendes Schwermetall, das sich bereits im kalten Zustand gut schmieden und walzen lässt. Geringste Verunreinigungen erhöhen jedoch die Härte und vermindern die Dehnbarkeit. Obwohl Vanadium ein relativ unedles Metall ist, wird es an der Luft nicht angegriffen, da es sich sofort mit einer dünnen Oxidschicht überzieht und dabei den Glanz beibehält. Im Laufe der Monate verfärbt sich das Metall an der Luft etwas gelblich. Beim Erhitzen beginnt oberhalb von 300 °C eine deutliche Oxidation, ab 600 °C reagiert Vanadiumpulver zu Vanadium(V)-oxid:

Mit Chlor reagiert Vanadium zu Vanadiumchlorid, mit Stickstoff entsteht Vanadiumnitrid, bei Weißglut bildet sich mit Kohlenstoff Vanadiumcarbid. Vanadium ist gegen nichtoxidierende Säuren wie Salzsäure bei Raumtemperatur beständig. Heiße Salzsäure greift das Metall jedoch unter Entwicklung von Wasserstoff an. Oxidierende Säuren wie konzentrierte Salpetersäure oder Schwefelsäure lösen das Metall auf, wobei sich die entsprechenden Vanadiumsalze der Säuren bilden. Mit konzentrierter Salpetersäure entsteht rotbraunes Stickstoffdioxid und Vanadiumnitrat, das bei Wasserzugabe eine helltürkisblaue Lösung bildet:

Am stabilsten sind die Vanadiumverbindungen mit Vanadium-Ionen der Oxidationsstufe +5 und +4. Die bekannteste Verbindung ist das orangebraune Vanadium(V)-oxid. Die Verbindungen mit Vanadium-Ionen der Oxidationsstufen +3 und +2 sind weniger stabil. Auch Verbindungen mit Vanadium-Ionen der Oxidationsstufen +1, 0, −1 und −3 lassen sich mit einigem Aufwand herstellen. Bei der Vorprobe zum Nachweis von Vanadiumverbindungen färbt sich die Borax- oder Phosphorsalzperle in der Reduktionsflamme grün und in der Oxidationsflamme schwach gelbbraun. Der analytische Nachweis von Vanadium im Labor erfolgt durch Reduktionsmittel im sauer-wässrigen Medium, wobei charakteristische Färbungen der entstehenden Aqua-Vanadium-Komplexe auftreten.

Vermischt man wenig Vanadium(V)-oxid mit Wasser und gibt verdünnte Salzsäure hinzu, entsteht nach längerem Schütteln und Erwärmen der farblose Komplex Tetraaquadioxovanadium(V) [VO₂(H₂O)₄]⁺. Durch Zugabe von Reduktionsmitteln lassen sich farbige Komplexe darstellen. Bei der Zugabe von Oxalsäure entsteht nach dem Erwärmen der hellblaue Komplex Pentaaquaoxovanadium(IV) [VO(H₂O)₅]²⁺. Durch Zugabe von Zinkpulver entsteht nach dem Erwärmen je nach vorliegenden Konzentrationen eine hellblaue oder grüne Färbung. Die grüne Färbung zeigt den Komplex Hexaaquavanadium(III) [V(H₂O)₆]³⁺an. Mit Aluminiumpulver erhält man eine violette Färbung, die charakteristisch für den Komplex Hexaaquavanadium(II) [V(H₂O)₆]²⁺ ist. An der Luft oxidieren die Komplexe wieder, vor allem der violette Komplex ist sehr instabil. Dieser Wechsel der Oxidationsstufen ist der Grund dafür, dass Vanadium und seine Verbindungen als Katalysator bestens geeignet sind, zum Beispiel bei der Schwefelsäuresynthese.

Vanadium gehört zu den lebensnotwendigen Spurenelementen des Menschen. In chemisch gebundener Form beeinflusst es als Coenzym die Wirkung von Enzymen und ist für den Stoffwechsel der Hormone, der Glucose, der Knochen und der Schilddrüsen von Bedeutung. Mangelerscheinungen werden bisher in der medizinischen Literatur nicht beschrieben, vermutlich nimmt der Mensch über die tägliche Nahrung genug auf. Als besonders vanadiumreich gelten Spinat, Austern, Pilze, Vollkornprodukte, Fleisch und Fisch.

Vanadium-Stäube und einige anorganische Verbindungen haben sich im Tierversuch als krebserzeugend oder keimzellenschädigend erwiesen. Ein Problem für den Menschen tritt auf, wenn Arbeiter längere Zeit in einem Metallverhüttungsbetrieb arbeiten und die Stäube längere Zeit einatmen. Eine chronische Vanadiumvergiftung äußert sich in Schleimhautreizungen oder in chronischen Lungen- oder Darmerkrankungen.

Häufigkeit relativ häufig

Vanadium kommt in der Natur nicht elementar vor. Ein bei Mineraliensammlern bekanntes Vanadiummineral ist der Vanadinit, der vor allem in Marokko vorkommt. Dieses Mineral spielt bei der Vanadiumgewinnung jedoch kaum eine Rolle. Der Descloizit wird gelegentlich als Erz zur Gewinnung benutzt. Von großer Bedeutung sind die Titanomagnetiterze, bei deren Verarbeitung zu Roheisen Vanadium(V)-oxid in der Schlacke anfällt. Erze zur Vanadiumgewinnung liefern zum Beispiel China, Russland, Südafrika und Brasilien.

Die Entdeckung des Elements Vanadium wird dem mexikanischen Mineralogen Andrés Manuel del Río (1765–1849) zugeschrieben. Er entdeckte es im Jahr 1801 in einem braunroten Bleierz aus Zimapán und benannte es zunächst Erythronium unter Bezugnahme auf das griechische Wort erythrós („rot"). Río gilt damit auch als Entdecker des Minerals Vanadinit, das er im mexikanischen Zimapán erstmals gefunden hatte. Der französische Chemiker H. V. Collet-Descotils (1773–1815) wollte die Entdeckung des neuen Elements nicht anerkennen und behauptete, es würde sich um unreines Chrom handeln. Danach musste del Río die Entdeckung widerrufen.

Die Entdeckung des Vanadiums

Andrés Manuel del Río (links) entdeckte das Element 1801 als erster und nannte es Erythronium.
Niels Gabriel Sefström (rechts) bestätigte die Entdeckung 1830 und vergab den Namen Vanadium.

Erst der schwedische Chemiker Niels Gabriel Sefström (1787–1845) aus Falun bestätigte 1830 die Existenz des neuen Elements. Er untersuchte Eisenerze und das daraus gewonnene, gut verformbare Eisen aus Smålands Taberg. Diese Grube liegt in Schweden 15 Kilometer südlich von Jonköping. Beim Lösen des Eisens in Salzsäure erhielt er geringe Mengen eines schwarzen Pulvers, das dem Chrom und auch dem Uran ähnelte. Durch weitere Experimente konnte er beweisen, dass es keines der beiden war. [Lit. 147] Er benannte das neu entdeckte Element nach der nordischen Schönheits- und Liebesgöttin Freya, die den Beinamen Vanadis trägt.

Im gleichen Jahr untersuchte Friedrich Wöhler in Berlin Manuel del Ríos Erythronium erneut und konnte die Entdeckung des neuen Elements ebenfalls bestätigen. Sefströms Publikation in den Annales de chimie et de physique war aber Wöhler zuvorgekommen. Die Herstellung von unreinem Vanadium gelang 1867 dem englischen Chemiker Sir Henry Roscoe (1833–1915) in Manchester. Um 1903 wurde in England der erste vanadiumhaltige Stahl produziert. Sehr reines Vanadium stellten die Amerikaner John Wesley Marden und Malcom Rich durch eine Reduktion von Vanadium(V)-oxid mit Calcium im Jahr 1925 her.

Durch das Rösten oder das Auslaugen von Vanadiumerzen oder vanadiumhaltiger Schlacken erhält man Vanadium(V)-oxid. Die Herstellung des Vanadiums erfolgt dann durch eine Reduktion mit Calcium bei 950 °C:

Man erhält relativ unreines Vanadium, das durch eine nachfolgende elektrolytische Raffination gereinigt werden kann. Im Verfahren nach van Arkel und de Boer wird eine Mischung aus pulvrigem Vanadium und Iod durch Erhitzen in einer Quarzglas-Glühlampe zu Vanadiumtriiodid VI₃ umgewandelt. Das verdampfte Vanadiumtriiodid scheidet an dem 1600 °C heißen Wolframdraht reines Vanadium ab. Das dabei freigesetzte Iod reagiert erneut mit dem Vanadiumpulver und bildet neues Triiodid. Die Darstellung von sehr reinem Vanadium ist aufwändig.

Vanadium ist ein wichtiges Legierungsmetall in Baustählen und Werkzeugstählen. Legierungen mit bis zu 0,5 Prozent Vanadium erzeugen eine große Härte, Stoßfestigkeit und Zähigkeit. Titan-Vanadium-Legierungen dienen als Material in Brennstabhüllen für die Kernenergienutzung. Vanadium(V)-oxid ist ein wichtiger Katalysator, zum Beispiel bei der Schwefelsäureherstellung oder im chemischen Labor.