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バナジウム

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チタン バナジウム クロム
-

V

Nb
Element 1: 水素 (H),
Element 2: ヘリウム (He),
Element 3: リチウム (Li),
Element 4: ベリリウム (Be),
Element 5: ホウ素 (B),
Element 6: 炭素 (C),
Element 7: 窒素 (N),
Element 8: 酸素 (O),
Element 9: フッ素 (F),
Element 10: ネオン (Ne),
Element 11: ナトリウム (Na),
Element 12: マグネシウム (Mg),
Element 13: アルミニウム (Al),
Element 14: ケイ素 (Si),
Element 15: リン (P),
Element 16: 硫黄 (S),
Element 17: 塩素 (Cl),
Element 18: アルゴン (Ar),
Element 19: カリウム (K),
Element 20: カルシウム (Ca),
Element 21: スカンジウム (Sc),
Element 22: チタン (Ti),
Element 23: バナジウム (V),
Element 24: クロム (Cr),
Element 25: マンガン (Mn),
Element 26: 鉄 (Fe),
Element 27: コバルト (Co),
Element 28: ニッケル (Ni),
Element 29: 銅 (Cu),
Element 30: 亜鉛 (Zn),
Element 31: ガリウム (Ga),
Element 32: ゲルマニウム (Ge),
Element 33: ヒ素 (As),
Element 34: セレン (Se),
Element 35: 臭素 (Br),
Element 36: クリプトン (Kr),
Element 37: ルビジウム (Rb),
Element 38: ストロンチウム (Sr),
Element 39: イットリウム (Y),
Element 40: ジルコニウム (Zr),
Element 41: ニオブ (Nb),
Element 42: モリブデン (Mo),
Element 43: テクネチウム (Tc),
Element 44: ルテニウム (Ru),
Element 45: ロジウム (Rh),
Element 46: パラジウム (Pd),
Element 47: 銀 (Ag),
Element 48: カドミウム (Cd),
Element 49: インジウム (In),
Element 50: スズ (Sn),
Element 51: アンチモン (Sb),
Element 52: テルル (Te),
Element 53: ヨウ素 (I),
Element 54: キセノン (Xe),
Element 55: セシウム (Cs),
Element 56: バリウム (Ba),
Element 57: ランタン (La),
Element 58: セリウム (Ce),
Element 59: プラセオジム (Pr),
Element 60: ネオジム (Nd),
Element 61: プロメチウム (Pm),
Element 62: サマリウム (Sm),
Element 63: ユウロピウム (Eu),
Element 64: ガドリニウム (Gd),
Element 65: テルビウム (Tb),
Element 66: ジスプロシウム (Dy),
Element 67: ホルミウム (Ho),
Element 68: エルビウム (Er),
Element 69: ツリウム (Tm),
Element 70: イッテルビウム (Yb),
Element 71: ルテチウム (Lu),
Element 72: ハフニウム (Hf),
Element 73: タンタル (Ta),
Element 74: タングステン (W),
Element 75: レニウム (Re),
Element 76: オスミウム (Os),
Element 77: イリジウム (Ir),
Element 78: 白金 (Pt),
Element 79: 金 (Au),
Element 80: 水銀 (Hg),
Element 81: タリウム (Tl),
Element 82: 鉛 (Pb),
Element 83: ビスマス (Bi),
Element 84: ポロニウム (Po),
Element 85: アスタチン (At),
Element 86: ラドン (Rn),
Element 87: フランシウム (Fr),
Element 88: ラジウム (Ra),
Element 89: アクチニウム (Ac),
Element 90: トリウム (Th),
Element 91: プロトアクチニウム (Pa),
Element 92: ウラン (U),
Element 93: ネプツニウム (Np),
Element 94: プルトニウム (Pu),
Element 95: アメリシウム (Am),
Element 96: キュリウム (Cm),
Element 97: バークリウム (Bk),
Element 98: カリホルニウム (Cf),
Element 99: アインスタイニウム (Es),
Element 100: フェルミウム (Fm),
Element 101: メンデレビウム (Md),
Element 102: ノーベリウム (No),
Element 103: ローレンシウム (Lr),
Element 104: ラザホージウム (Rf),
Element 105: ドブニウム (Db),
Element 106: シーボーギウム (Sg),
Element 107: ボーリウム (Bh),
Element 108: ハッシウム (Hs),
Element 109: マイトネリウム (Mt),
Element 110: ダームスタチウム (Ds),
Element 111: レントゲニウム (Rg),
Element 112: コペルニシウム (Cn),
Element 113: ニホニウム (Nh),
Element 114: フレロビウム (Fl),
Element 115: モスコビウム (Mc),
Element 116: リバモリウム (Lv),
Element 117: テネシン (Ts),
Element 118: オガネソン (Og),
Vanadium has a body-centered cubic crystal structure
23V
外見
青みがかった銀白色
Vanadium etched.jpg
一般特性
名称, 記号, 番号 バナジウム, V, 23
分類 遷移金属
, 周期, ブロック 5, 4, d
原子量 50.9415(1) 
電子配置 [Ar] 3d3 4s2
電子殻 2, 8, 11, 2(画像
物理特性
固体
密度室温付近) 6.0 g/cm3
融点での液体密度 5.5 g/cm3
融点 2183 K, 1910 °C, 3470 °F
沸点 3680 K, 3407 °C, 6165 °F
融解熱 21.5 kJ/mol
蒸発熱 459 kJ/mol
熱容量 (25 °C) 24.89 J/(mol·K)
蒸気圧
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温度 (K) 2101 2289 2523 2814 3187 3679
原子特性
酸化数 5, 4, 3, 2, 1, −1
(両性酸化物)
電気陰性度 1.63(ポーリングの値)
イオン化エネルギー 第1: 650.9 kJ/mol
第2: 1414 kJ/mol
第3: 2830 kJ/mol
原子半径 134 pm
共有結合半径 153±8 pm
その他
結晶構造 体心立方
磁性 常磁性
電気抵抗率 (20 °C) 197 nΩ⋅m
熱伝導率 (300 K) 30.7 W/(m⋅K)
熱膨張率 (25 °C) 8.4 μm/(m⋅K)
音の伝わる速さ
(微細ロッド)
(20 °C) 4560 m/s
ヤング率 128 GPa
剛性率 47 GPa
体積弾性率 160 GPa
ポアソン比 0.37
モース硬度 6.7
CAS登録番号 7440-62-2
主な同位体
詳細はバナジウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
48V syn 15.9735 d ε/β+ 4.0123 48Ti
49V syn 330 d ε 0.6019 49Ti
50V 0.25 % 1.5×1017 y ε 2.2083 50Ti
β 1.0369 50Cr
51V 99.75 % 中性子28個で安定

バナジウム新ラテン語: vanadium 英語: [vəˈneɪdiəm])は原子番号23の元素元素記号Vバナジウム族元素のひとつ。日本語では古くはバナジンヴァナジンの表記も使われた。

名称

バナジウムの発見には紆余曲折があり、歴史に埋もれかけた別名をいくつか持っている。

1801年、アンドレス・マヌエル・デル・リオが「パンクロミウム(panchromium)」と名付けた。クロムを思わせる色調からの命名である。のちに、化合物を加熱すると鮮やかな赤色になることから、「エリスロニウム(erythronium)」と改名された。

1830年、スウェーデンのニルス・ガブリエル・セフストレームが「バナジウム」と名付けた。非常に美しいさまざまな色に着色することから、スカンジナビア神話の愛と美の女神バナジス(vanadis)にちなんで命名された。

1831年、ドイツのフリードリッヒ・ヴェーラーによって、エリスロニウムとバナジウムが同じものと確認される。のちにアメリカで、デル・リオの名前に因んだリオニウム(rionium)が提案されたが、実現はしなかった。

1880年、イタリアのアルカンジェロ・スカッキが新元素と誤認し、ベスビオ山にちなんでvesbiumと命名した。

歴史

18世紀、メキシコのイダルゴ州シマパン鉱山で、褐鉛鉱(バナジン鉛鉱、バナダイト)が発見された。

1801年、アンドレス・マヌエル・デル・リオが発見した。しかし、当時は未知の化合物と考えられた。1805年、フランスの研究機関によってクロムと鑑定され、その後も不運から新元素は公認されなかった。

1830年、スウェーデンのニルス・ガブリエル・セフストレームが軟鉄中から再発見した。

1867年、イギリスのヘンリー・エンフィールド・ロスコーが塩化バナジウム(III)の水素還元により金属バナジウムを得る。

1925年、アメリカで金属カルシウムによる還元により、高純度の金属バナジウムを精製することに成功。

性質

灰色がかかった銀白色の金属で、遷移元素である。

金属としては軟らかく、展延性があり容易に圧延加工できる。結晶構造は温度条件により3つあり、常温・常圧で安定な結晶構造体心立方格子で、温度を上げると、正方晶系になる。比重は6.11、融点は1910 °C、沸点は3407 °C。普通のアルカリとは反応しないが、濃硝酸濃硫酸フッ化水素酸には溶ける。原子価は2価から5価まで多様な値をとる。

産出

主要な産出国は南アフリカ中国ロシアアメリカで、この4か国で90 %超を占める。バナジン石などの鉱石があるが、品位が高くないため、資源としてはほかの金属からの副生回収で得ているほか、原油オイルサンドにも多く含まれているため、それらの燃焼灰も利用される。

物質としてのバナジウムは広範囲に分布し、ほとんどどこにでも存在する。しかし、資源としては偏在性が強く、埋蔵量のほとんどは南アフリカ中国ロシアに存在するほか、ベネズエラのオリコタール(超重質油中)やカナダのオイルサンドビチューメンなどの中に、硫黄などとともに含まれる。また、その生産も上記3か国とアメリカとで9割以上を占める。そのため供給は不安定なものとなりやすく、これらの国家や生産企業の動向による価格の高騰が、1988、1994、1997、2003、および2004年以降と頻繁に発生している。

バナジウム鉱物の主要なものとしては、緑鉛鉱 (Pb5(PO4)3(OH,F,Cl))に類似した鉱物である褐鉛鉱 (Pb5(VO4)3(OH,F,Cl))がある。ほかにはカルノー石(2(UO2)2(VO4)23H2O)、パトロン石(V2S5)などが知られているが、資源としては品位が低い。加えて、バナジウムの多くはほかの鉱物とともに(あるいはむしろほかの鉱物の副産物として)産出されており、ほかの鉱物の需給状況にバナジウムの生産も影響を受ける。

以上のような背景から、日本国内において産業上重要性が高いにもかかわらず、産出地に偏りがあり供給構造が脆弱である。日本では国内で消費する鉱物資源の多くを他国からの輸入で支えている実情から、万一の国際情勢の急変に対する安全保障策として国内消費量の最低60日分を国家備蓄すると定められている。またリサイクル確立も重要視され、日本では廃触媒からの回収や、重油ボイラーの灰などからの回収が行われている。

用途

製鋼添加剤としての用途が8割以上を占めているが、バナジウム化合物は触媒としてもきわめて重要なほか、化学電気工学電子工学の分野でも重要である。

しかし、原油中のバナジウム(ポルフィリン化合物として揮発性を持ち、製油によって重油に移行する)は燃焼時に酸化物となると、材表面の不動態皮膜を低融点化させる高温腐食現象(バナジウム・アタック)を引き起こす。特にガスタービンエンジンのフィンを傷めるケースが多い。ほかにも触媒毒となるため、燃料重油中のバナジウムは十分に除去するのが望ましい。

鉄鋼

バナジウム鋼にフェロバナジウムとして添加する。鋼にバナジウムを0.1 %程度添加すると、炭素と結合して結晶粒がより細かい金属構造になるため、靭性を損なわないで強度を増せるうえ、機械的性質や耐熱性なども向上する。伝説的なダマスカス鋼からも微量のバナジウムが確認されている。

合金

鉄鋼系以外の合金には、おもにアルミニウムとの合金が利用される。

航空用途に開発された、バナジウムを2–6 %含む合金(Ti6.4、Ti-6Al-4V)が普及している。日本ではゴルフクラブのヘッド用として多用され、使用量の半分を占めていた。そのほか、ミサイルジェットエンジン原子炉デンタルインプラントに使用される。
単体での第二種超伝導体であり、臨界温度は5.3 K、臨界磁場81170 A/mガリウムとの金属間化合物バナジウムガリウムはもっとも硬い超伝導体で臨界磁場特性も高いが、ニオブ系に比べ臨界電流が小さく、実用化は進んでいない。ほかに強相関電子系の研究に使用されるバナジウム酸化物が、数万atmの超高圧下で擬一次元超伝導体となることが分かっている。

触媒

1924年に触媒作用が発見されて以来、バナジウム化合物を用いた触媒は広く利用され、その用途は拡大する傾向にある。

顔料・塗料

バナジウムは酸化数による色彩の変化が多様であるため、高温に耐える着色剤として利用される。バナジウムの示す色としては、五酸化バナジウムや塩化バナジウム(III)が鮮やかなオレンジから赤を示すほか、おおむね2価が紫、3価が緑、4価が青であり、5価で無色となる。

電気・電子

なお、二酸化バナジウム VO2とは、四酸化二バナジウム V2O4 のことである『四酸化二バナジウム | 12036-73-6』

生体におけるバナジウム

バナジウムは、ヒトを含む大部分の脊椎動物にとって不可欠なミネラルではない。しかし、生体内の酵素や錯体の構成に加わっている例が多数確認されており、特に窒素固定細菌では、その酵素系における必須元素のモリブデンが欠乏したとき、これを補うためにバナジウムを含む酵素が働くことが分かっている。これらから、一部の生物では何らかの役割を果たしているものと考えられている。

バナジウムを含有するタンパク質にはニトロゲナーゼブロモパーオキシダーゼヘモバナジンなどがある。

濃縮

バナジウムはさまざまな生物(比較的単純な生物が多い)から検出され、乾燥重量で100ppmを超える生物も多数確認されている。また、特異的に濃縮する生物も何種か知られている。石油中に多く含まれる原因とも考えられている。

このほか「多く含まれている食品」としてエビカニパセリ、黒こしょうマッシュルームなどが知られている。

毒性

バナジウムイオンが試験管内で細胞に対し、致死毒性を持つことが確認されている。

  • 水生生物に対する毒性 - 急性LC50の調査結果によると、濃度レベルは0.1–100 mg/L台の範囲にあり、大部分の生物が1–12 mg/Lであったという。特に鋭敏な生物はカキで、幼生の発生への影響が0.05 mg/Lで現れる。
  • ラット・マウスの経口投与 - 5価バナジウム化合物に対する半数致死量(LD50)としてそれぞれ10 mg/kg、5–23 mg/kg。
  • ヒトに対する影響 - 現在のところWHOは、無機バナジウムの発癌性について、その有無を判断できる材料がないとしている。このため、ヒトに対して発癌性があるかもしれないと分類されている。
  • 作業環境における管理濃度 - 酸化バナジウム(V)の粉じんについては、0.03 mg/m3(バナジウムとして)が定められている。

医薬・健康

現在、ある程度効果が確認されているものは、次のとおりである。

  • ラットを使った研究でインスリンに似た働きをする(血糖値を下げる)ことが示唆され、糖尿病治療薬になるのではないかと注目されている。
  • 理論的に、抗凝血薬の作用を強める(効果と副作用の両方とも)可能性がある。

健康食品に関連して2000年ごろから話題になり、ミネラルウォーターサプリメントが販売されている。

環境への放出

バナジウムは原油・重油中に多く含まれていることから、その燃焼により毎年10万トンのレベルで大気中に放出されている。自然現象による放出は年間10トンのレベルと見積もられており、大気中の浮遊塵や降水中に含まれるバナジウムはそのほとんどが、人間活動によるものである。

したがって、天然水中のバナジウムを定量することで、化石燃料による影響を評価することができるが、バナジウムは安定した酸化物を形成するため、原子吸光分析では電気加熱炉法を用いる必要がある。

バナジウムの化合物

脚注

関連項目

外部リンク


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