23. Vanadium (V) - Der Stahl-Veredler

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder Schlafreise durch vergessene Welten? Falls nicht, schau gerne in unseren Feed, dort wartet bereits eine ganze Welt voller Wissen auf dich, doch heute begeben wir uns auf eine ganz besondere Reise.

0:28 Wir besuchen ein Element, das im Alltag nahezu unsichtbar ist und doch in fast jedem modernen Bauwerk, in jedem Fahrzeug und in vielen unserer Werkzeuge steckt. Ein Element, das in der Natur in wunderschönen Farben leuchtet, das in unserem Blut eine bescheidene, aber bedeutsame Rolle spielt und das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit fast 2 Jahrhunderten in seinen Bann zieht. Die Rede ist von Vanadium.

0:58 Dem Element mit der Ordnungszahl 23, dem stillen Helden des Periodensystems. Die Geschichte des Vanadiums beginnt nicht geradlinig, wie man es vielleicht von einem Element erwarten würde, sie ist vielmehr ein wissenschaftliches Drama in 2 Akten mit Protagonisten auf verschiedenen Kontinenten, die unabhängig voneinander denselben Schatz aufspürten. Der erste Akt spielt im Jahr 1801 im fernen Mexiko die. Dort lebte und arbeitete Andres Manuel Del Rio, ein in Spanien geborener Mineraloge, der an der Bergbauschule in Mexiko Stadt lehrte.

1:39 Del Rio untersuchte ein Erz aus der Minenregion Simapan in Hidalgo, das heute als Vanadinid bekannt ist. Als er das Mineral analysierte, entdeckte er darin ein neues Element. Dessen Verbindungen er aufgrund ihrer lebhaften Farbpalette von Gelb über Rot bis blau und Grün zunächst Pankromium nannte, also das Allfarbige.

2:06 Bald taufte er es um in Erythronium, vom griechischen Wort für Rot, da sich viele seiner Verbindungen beim Erhitzen rot Färbten. Doch dann kam der Zweifel, ein französischer Chemiker, Baron Alexander von Humboldt, schickte Proben nach Europa, meinte. Del Rio habe lediglich verunreinigtes Chrom entdeckt, DEL Rio, ein bescheidener Wissenschaftler, zog seine Entdeckung zurück.

2:33 Es war ein fataler Irrtum, der ihm die Priorität der Entdeckung kosten sollte. Der zweite Akt beginnt 1830 in Schweden der Chemiker Niels Gabriel Sebström untersuchte Eisenerze aus einer Mine ins Mooland und entdeckte in der Schlacke ein ihm unbekanntes Metall. Er nannte es zu Ehren der Nordischen Göttin Vanadis, einem Beinamen der Göttin Freier, der Göttin der Schönheit und Fruchtbarkeit. Vanadium der Name passte perfekt, denn die Verbindungen des neuen Elements zeigten eine außergewöhnliche Vielfalt an Farben, ganz wie die vielen Facetten der Göttin selbst. Kurz darauf untersuchte der große deutsche Chemiker Friedrich Wöhler, bekannt durch seine Harnstoffsynthese. Die erstmals zeigte, dass

3:25 organische Verbindungen im Labor herstellbar sind. Die Proben del Rios erneut. Er bestätigte Del Rio, hatte dasselbe Element entdeckt wie Selbström die wissenschaftliche Gemeinschaft einigten sich auf den Namen Vanadium und der Name Erythronium verschwand aus den Geschichtsbüchern Andres Manuel del Rio ist jedoch zu recht in Erinnerung geblieben.

3:50 Als der erste Mensch, der jemals Vanadium in Händen hielt, das reine Metall selbst wurde erst 1867 vom britischen Chemiker Henry Enfield Roscoe erfolgreich isoliert, indem er Vanadiumchlorid mit Wasserstoff reduzierte. Er stellte fest, dass die bisherigen Proben verunreinigt waren, das wirklich reine Vanadium war ein silberglänzendes, hartes und duktiles Metall, deutlich anders als bisher vermutet. Vanadium trägt das Elementsymbol 5 und hat die Ordnungszahl 23. Es gehört zur fünften Gruppe des Periodensystems und zur Familie der Übergangsmetalle.

4:30 Sein Atomgewicht beträgt 50,942 Gramm pro Mol und es besitzt 2 stabile Isotope. Vanadium 51, das mit einem Anteil von etwa 99,75% das bei weitem häufigere ist, und Vanadium 50, das mit 0,25% zwar selten vorkommt, aber der interessanteste der beiden ist. Denn Vanadium 50 ist leicht radioaktiv mit einer Halbwertszeit von über 1,4 quintillionen Jahren. Das ist etwa das 100 Milliarden Fache des Alters des Universums. Praktisch gesehen ist Vanadium 50 also stabil, was Vanadium jedoch wirklich aus der Masse der Metalle heraushebt, ist seine außergewöhnliche Fähigkeit, in mehreren verschiedenen Oxidationsstufen zu existieren, die gängigsten sind plus 2 + 3 + 4 und plus 5.

5:33 Diese Eigenschaft allein macht Vanadium zu einem der farbenprächtigsten Elemente im Periodensystem, denn jede Oxidationsstufe entspricht einer anderen Farbe in wässriger Lösung v 2 plus Ionen sind von einem tiefen, satten violett fast wie Amethyst v 3 plus Ionen erscheinen in einem blaugrünen Ton, der an Malachit erinnert, v 4 plus Ionen.

6:01 Meist als Vanadylionen 5 o 2 plus. Vorliegend sind charakteristisch blau, ein lebhaftes Himmelblau und v 5 plus Ionen, meist als Vanadat. Ionen sind gelb bis Orangebraun dieses Farbenspektrum macht Vanadiumlösungen zu einem beliebten Demonstrationsobjekt in Chemielabors weltweit. Schülerinnen und Schüler können.

6:28 Mit einfachen Reduktionsmitteln wie Zink die Lösung von Gelb über blau nach Grün und schließlich zu violett umfärben. Ein visuelles Erlebnis, das die Chemie lebendig werden lässt. Vanadium ist ein mittelhartes Metall mit einer Mooshärte von etwa 7 kratztes Glas, ist aber weicher als Wolfram oder Chrom.

6:50 Es hat einen schmelzpunkt von 1910 Grad Celsius und. Und einen Siedepunkt von 3407 Grad Celsius. Werte, die es klar als hochschmelzendes Metall ausweisen. Seine Dichte beträgt 6,11 Gramm pro Kubikzentimeter. Was es deutlich. Leichter macht als Eisen mit 7,87 Gramm pro Kubikzentimeter reines Vanadium ist außerdem gut leitfähig für Elektrizität und Wärme und zeigt bei sehr tiefen Temperaturen.

7:23 Unterhalb von 5,03 Kelvin supraleitende. Eigenschaften Vanadium ist kein seltenes Element im Erdmantel gehört es mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von etwa 120 bis 160 Milligramm pro Kilogramm zu den häufigeren Spurenelementen. Es ist damit etwa so häufig wie Nickel und häufiger als Kupfer oder Zink.

7:48 In der Erdkruste liegt seine Konzentration bei etwa 120 bis 160 Teilen pro 1000000, was es zum 22 häufigsten Element der Erdkruste macht. Der Teufel steckt jedoch im Detail, Vanadium ist selten in hochkonzentrierten, leicht abbaubaren Lagerstätten zu finden, stattdessen ist es über verschiedene Minerale und Gesteine verstreut, die wichtigsten vanadiumhaltigen Minerale sind Vanadinid und.

8:18 Ein bleivanad Chlorid, Deskloisid, ein zinkblei, Vanadat Carnotid, ein Kalium Uranium, Vanadat und Patronid, ein Vanadiumsulfid. Besonders interessant ist, dass Vanadium häufig in fossilen Brennstoffen vorkommt, in Rohöl, insbesondere in schwerem Öl und Bitumen, aber auch in Kohle und Ölschiefer, das Vanadium in Erdöl stammt ursprünglich aus abgestorbenen Meeresorganismen, das.

8:48 Die es über Jahrmillionen Anreicherten, beim Verbrennen dieser Brennstoffe gelangt Vanadium in die Umwelt, ein Kreislauf, der sowohl ökologische als auch industrielle Bedeutung hat. Die wichtigsten Vanadiumerzeuger der Welt sind China, Russland und Südafrika, China allein produziert mehr als die Hälfte des weltweiten Vanadiums häufig wird Vanadium nicht direkt abgebaut.

9:15 Sondern als Nebenprodukt der Eisenerzverarbeitung gewonnen. Der Hauptrohstoff ist dabei titano Magnetit Erz, aus dem zunächst Roheisen Erschmolzen wird, die dabei anfallenden Schlacken sind Vanadiumreich und werden anschließend weiterverarbeitet, Vanadium findet sich aber nicht nur in der unbelebten Natur, es ist auch ein Element des Lebens, zumindest für bestimmte Organismen.

9:42 Bestimmte Meeresorganismen, insbesondere Sehscheiden, auch Tunikaten genannt, reichern Vanadium in ihrem Blut in erstaunlichen Konzentrationen an, während das Meerwasser nur etwa 35 Nanogramm Vanadium pro Liter enthält, können manche sehscheidenarten Vanadiumkonzentrationen im Blut aufweisen, die millionenfach höher sind als im umgebenden Meerwasser, die genaue biologische Funktion ist noch nicht vollständig geklärt. Aber es wird vermutet, dass das Vanadium in speziellen Zellen, den Vanadozyten gespeichert wird und möglicherweise eine Rolle bei der Abwehr von Fressfeinden spielt. Auch bestimmte Pilze, insbesondere der giftige Fliegenpilz, enthalten Vanadiumverbindungen in Form des sogenannten Amavadins kommen wir

10:33 nun zur vielleicht wichtigsten Seite des Vanadiums seiner industriellen Bedeutung. Rund 85 bis 90% des weltweit produzierten Vanadiums fließen in die Stahlproduktion. Und hier liegt der Grund, warum Vanadium so einen unscheinbaren, aber enormen Einfluss auf unser modernes Leben hat. Vanadium ist ein legierungselement par excellence. Bereits kleine Mengen von 0,1 bis 0,2% Vanadium in einem Stahl können dessen Eigenschaften dramatisch verbessern. Vanadiumstahl ist deutlich fester, zäher und widerstandsfähiger gegen Abrieb als normaler Stahl, es bildet in der Stahlmatrix winzige Karbide und Nitride Vanadiumkarbid VC und Vanadium Nitrit vn.

11:27 Die sich zwischen den Eisenkristallen einlagern und eine Art mikroskopisches Gerüst bilden. Das Ergebnis der Stahl lässt sich weniger leicht verbiegen, bricht weniger leicht und hält wesentlich länger, ein historischer Meilenstein der Vanadiumstahlgeschichte ist der Ford Model T. Henry Ford erfuhr von einem Autowrack in Frankreich, bei dem Teile aus einem neuen, leichteren und festeren Stahl auffällig gut erhalten geblieben waren. Dieser Stahl enthielt Vanadium, Ford ließ daraufhin Vanadiumstahl systematisch analysieren und für sein Model T verwenden, das erste Massenproduktionsfahrzeug der Welt, der Vanadiumstahl ermöglichte es Ford, Teile zu bauen, die mit gleichem Gewicht deutlich haltbarer waren, die. Das Model T wurde dadurch

12:19 leichter, belastbarer und günstiger herzustellen. Ein Triumph der Materialwissenschaft heute findet sich Vanadiumstahl in unzähligen Anwendungen in Eisenbahnschienen, Brücken und Hochhäusern, in Werkzeugstählen für Bohrer, Pfeilen und Sägeblätter, in Federstählen, in Achsen und Kurbelwellen von Fahrzeugen, in Schutzwesten und gepanzerten Fahrzeugen. Kurz gesagt, fast überall dort, wo Stahl Extrembelastungen standhalten muss, ist Vanadium im Spiel. Doch Vanadium kann mehr als nur Stahl Härten als Vanadium Vau oxid v 2 o 5 ist es einer der wichtigsten industriellen Katalysatoren der Welt im sogenannten Kontaktverfahren, dem Hauptverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure. Wirkt Vanadiumoxid als

13:13 Katalysator bei der Oxidation von Schwefeldioxid zu schwefeltrioxid Schwefelsäure ist die am häufigsten produzierte Industriechemikalie der Welt. Ohne Vanadium wäre ihre großtechnische Herstellung deutlich schwieriger und teurer. Schwefelsäure wiederum ist unverzichtbar für die Herstellung von Düngemitteln, Farben, Kunststoffen, Batteriesäure und zahllosen weiteren Produkten. Man kann also sagen, Vanadium steht im Hintergrund eines enormen Teils der modernen Chemieproduktion. In den letzten Jahren ist Vanadium ins Rampenlicht einer weiteren, möglicherweise noch bedeutenderen Anwendung gerückt, der stationären Energiespeicherung, die sogenannte Vanadium Redox Flussbatterie, kurz RFB. Ist eine vielversprechende

14:06 Technologie für die großgalige Speicherung erneuerbarer Energie. Das Grundprinzip ist elegant in einer Vanadium redox Batterie werden 2 Tanks mit Vanadiumhaltiger Elektrolytlösung gefüllt, beim Laden und Entladen werden Vanadium Ionen zwischen verschiedenen Oxidationsstufen hin und her gewandelt, auf der einen Seite zwischen v 2 Plus und v 3 Plus, auf der anderen zwischen V 4 Plus und. VO 2 plus und v 5 plus VO 2 plus die Energie wird chemisch in den Vanadiumionen gespeichert, nicht in einer festen Elektrode wie bei herkömmlichen Lithium Ionen Akkus. Was macht diese Technologie so attraktiv? Zum einen ist da die nahezu unbegrenzte Lebensdauer, da beide Elektrolyte aus Vanadiumverbindungen bestehen, gibt es keine

15:01 Kreuzkontamination. Die die Kapazität dauerhaft mindert, während Lithium Ionen Akkus nach einigen 100 bis 1000 Ladezyklen an Kapazität verlieren, kann eine Vanadium redox Batterie theoretisch unbegrenzt oft geladen und entladen werden, ohne wesentliche Kapazitätsverluste zu erleiden. Zum anderen lässt sich die Kapazität einfach skalieren durch Vergrößerung der Tanks ohne die restliche Anlage zu verändern.

15:30 Das macht Vrf BS. Ideal für Anwendungen, bei denen große Energiemengen über viele Stunden gespeichert werden müssen. In Regionen mit hohem Anteil an Solar und Windenergie sind solche Langzeitspeicher von unschätzbarem Wert. China investiert massiv in Vanadium redox Batterien, die größte Anlage der Welt befindet sich in der chinesischen Provinz Liaoning und hat eine Kapazität von 200 Megawattstunden. Genug, um 10 Tausende von Haushalten für mehrere Stunden zu versorgen.

16:04 Auch in Japan, Australien, Europa und den USA werden immer mehr Anlagen dieser Art in Betrieb genommen, die Vanadium. Redox Batterie ist. Kein neues Konzept sie wurde bereits in den 19. 80er Jahren. Von Maria Skillers Kasakos an der University of New South Wales in Australien, entwickelt die. Doch erst jetzt, im Zeitalter der erneuerbaren Energien, entfaltet diese Technologie ihr volles Potential. Vanadium, das jahrzehntelang fast ausschließlich in Stahl vergraben war, entwickelt sich zu einem Schlüsselelement der Energiewende.

16:40 Neben seiner industriellen Relevanz hat Vanadium auch eine biologische Seite, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit Jahrzehnten fasziniert und beschäftigt. Vanadium. Ist kein klassisches lebensnotwendiges Spurenelement für den Menschen, zumindest nicht in dem Sinne, dass ein eindeutiger Mangel bekannter Erkrankungen verursacht. Doch es gibt Hinweise, dass Vanadium in sehr kleinen Mengen biologisch aktiv ist.

17:10 Es kommt im menschlichen Körper in Spuren vor, hauptsächlich in Knochen, Nieren, Leber und Milz. Die tägliche Aufnahme über die Nahrung beträgt je nach Ernährungsgewohnheiten. Etwa 10 bis 60 Mikrogramm. Besonders intensiv erforscht wird die mögliche Rolle von Vanadium bei der Regulation des Blutzuckerspiegels Vanadiumverbindungen, insbesondere Vanadylsulfat und organische Vanadiumkomplexe wie B. Mov bis Maltolato Oxovanadium ahmen in Tierversuchen die Wirkung von Insulin nach.

17:48 Sie aktivieren Insulinrezeptorsignalwege und verbessern die Glukoseaufnahme in Zellen in Studien an diabetischen Ratten zeigten vanadiumhaltige Verbindungen beeindruckende blutzuckersenkende Effekte. Erste klinische Studien am Menschen deuten ebenfalls auf eine gewisse insulinmimetische Wirkung hin.

18:09 Obwohl die Toxizität bei höheren Dosen und die begrenzte Bioverfügbarkeit noch erhebliche Herausforderungen für eine mögliche therapeutische Nutzung darstellen. In der Natur gibt es faszinierende Beispiele für Organismen, die Vanadium aktiv nutzen, bestimmte Meeresalgen und Pilze verwenden, vanadiumhaltige Enzyme, sogenannte Vanadiumabhängige Haloperoxidasen.

18:35 Diese Enzyme katalysieren die Oxidation von Halogeniden wie Bromit und Jodid und sind damit für die Produktion einer Vielzahl von halogenierten organischen Verbindungen im Meer verantwortlich. Diese Verbindungen spielen eine wichtige Rolle im Marin Ökosystem und beeinflussen sogar die Chemie der Atmosphäre. Ein weiterer faszinanter Fund in bestimmten Ölquellen und im Blut bestimmter mariner Tiere wurden.

19:05 Vanadium Porphyrinkomplexe entdeckt ähnlich dem Hämoglobin, dem Eisenhaltigen Sauerstofftransporter in unserem Blut, jedoch mit Vanadium als Zentralatom die biologische Funktion dieser Verbindungen ist noch nicht vollständig aufgeklärt, bietet aber einen spannenden Einblick in die Vielseitigkeit dieses Elements. Wie jedes Element hat auch Vanadium seine Schattenseiten in zu hohen Konzentrationen ist es toxisch. Vanadiumverbindungen können haut, Schleimhäute und die Atemwege reizen.

19:40 Bei chronischer Exposition kann es zu Schädigungen von Lunge und Nieren kommen, besonders Vanadium. 5. Oxid gilt als gesundheitsgefährdend, wenn es als Feinstaub eingeatmet wird, ein wichtiges Umweltthema. Ist die Freisetzung von Vanadium. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Schweröl. Das in Schiffsmotoren und großen Kraftwerken eingesetzt wird, enthält oft signifikante Mengen Vanadium.

20:07 Bei der Verbrennung entstehen Vanadiumoxide, die in die Atmosphäre gelangen, und wenn sie wieder niedergehen, Boden und Wasser belasten können. Im Bereich der Energiegewinnung ist daher eine sorgfältige Filterung und Überwachung notwendig, gleichzeitig eröffnen Vanadium Redox Batterien, wenn sie Lithium Ionen Akkus. In bestimmten Anwendungen ersetzen ökologische Vorteile der Elektrolyt einer Vrfb kann am Ende des Batterielebens vollständig recycelt werden, da das Vanadium dabei nicht verbraucht, sondern nur zwischen Oxidationsstufen umgewandelt wird.

20:46 Das ist ein erheblicher Vorteil gegenüber Lithium Ionen Batterien, bei deren Entsorgung und Recycling komplexe und teilweise umweltbelastende Prozesse notwendig sind. Die Zukunft des Vanadiums sieht vielversprechend aus und das in mehrfacher Hinsicht. Die weltweite Nachfrage nach Vanadium Redox Batterien wird nach Prognosen verschiedener Marktanalysten in den nächsten Jahren stark wachsen, angetrieben durch den Ausbau erneuerbarer Energien und den Bedarf an stabilen Netzspeichern gleichzeitig steigt der Bedarf an hochfestem Vanadiumstahl durch die wachsende Nachfrage nach leichteren. Aber stabileren Konstruktionen in der Automobilindustrie, im Maschinenbau und in der Luft und Raumfahrt. Vanadiumverbindungen werden auch

21:37 in der Katalyseforschung intensiv untersucht. Vanadiumoxid Katalysatoren spielen bereits heute eine wichtige Rolle bei der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, einem Verfahren zur Reinigung von Abgasen aus Kraftwerken und Industrieanlagen. In der Zukunft könnten vanadiumbasierte Katalysatoren auch in der Produktion von grünem Wasserstoff und in anderen Schlüsselprozessen der nachhaltigen Chemie eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen außerdem vanadiumhaltige Materialien für den Einsatz in der Halbleitertechnik.

22:16 Vanadiumdioxid VO 2 zeigt einen faszinierenden metallisolator Übergang. Bei einer Temperatur von etwa 68 Grad Celsius unterhalb dieser Temperatur verhält es sich wie ein Halbleiter, oberhalb wie ein Metall. Diese Eigenschaft könnte für die Entwicklung von Schaltern, Sensoren und neuartigen elektronischen Bauteilen genutzt werden, wenn man die Geschichte des Vanadiums betrachtet, von seiner Entdeckung in den Minen Mexikos über seine Rolle in Stahl und Katalysatoren bis hinzu den modernen Redoxbatterien. Dann wird etwas Grundlegendes deutlich. Vanadium ist zutiefst mit unserer Erde verwoben, es entstammt den Tiefen des Erdmantels, wurde über Milliarden von Jahren durch geologische Prozesse an die Oberfläche gebracht, von

23:08 Lebewesen aufgenommen und verändert, in fossilen Brennstoffen eingeschlossen und von uns Menschen erschlossen. Danke, dass du heute dabei warst, auf unserer Wissensreise durch das Periodensystem. Heute haben wir Vanadium entdeckt, das Farbenpächtige, vielseitige und unterschätzte Element mit der Ordnungszahl 23 ein Element, das Brücken baut, stahlveredelt Energie speichert und uns daran erinnert, dass die wichtigsten Dinge oft die sind, die wir nicht sehen.

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