1 jul 2010

Conoce tus elementos – El vanadio | El Tamiz


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Lentos pero seguros, continuamos hoy nuestro camino por la tabla periódica en la serie Conoce tus elementos. Seguimos en la gran zona media de los metales de transición, y en la última entrada estudiamos uno de ellos, el titanio, el elemento de veintidós protones. El elemento que nos ocupa hoy sigue siendo un metal de transición, en este caso con 23 protones y, cuando no está ionizado, 23 electrones. Se trata de un metal bastante menos conocido y frecuente que el titanio –aunque también utilísimo–, y debería llamarse, en mi no tan humilde opinión, eritronio o rionio… pero, por injusticias de la historia, lo conocemos como vanadio.
Como tantos otros elementos de los que hemos hablado hasta ahora, el vanadio no se encuentra puro en la naturaleza, sino en forma de compuestos, como muchas rocas. Incluso así, no es un elemento demasiado abundante; se forma como resultado de la nucleosíntesis en supernovas, pero no en tanta cantidad como otros, con lo que en la Tierra no abunda como, por ejemplo, el titanio del que hablamos en la última entrada (el titanio era el elemento número 9 en la composición de la corteza terrestre, mientras que el vanadio es el 20). Tanto una cosa como la otra hacen que sea difícil de identificar y aislar, con lo que, a pesar de que ha estado a nuestro alrededor todo el tiempo, lo descubrimos hace relativamente poco.
No, no voy a decir lo que piensas si eres seguidor de esta serie desde hace tiempo: no fue descubierto por “los de siempre”, y la historia es bastante injusta. Su descubridor es un personaje fascinante que merecería su propia entrada, el hispano-mexicano Andrés Manuel del Río. En 1801, del Río estaba analizando algunas muestras de rocas procedentes de una mina en Zimapán, en el estado de México, cuando se encontró con algo que no encajaba con ningún elemento conocido, aunque se parecía a algunos otros metales de transición. Las rocas que estudió tenían el mineral que hoy conocemos como vanadinita, por el nombre del… bueno, tiempo al tiempo.
Andrés Manuel del Río
Andrés Manuel del Río (1764-1849).

Del Río observó que el nuevo elemento tenía una peculiaridad interesante: formaba una gran cantidad de compuestos diferentes, y esos compuestos tenían colores muy diversos y llamativos. La razón –aunque él no la conociera entonces– es que el misterioso elemento es de una enorme versatilidad: es capaz de actuar con estados de oxidación +2, +3, +4 o +5, es decir, de ceder dos, tres, cuatro o cinco electrones dependiendo de con quién reacciona y la proporción de cada uno. Los muchos y bellos colores de los compuestos del elemento recién descubierto llevaron al científico a llamarlo pancromio; posteriormente observó que, al calentar estos compuestos, el color solía acabar siendo rojizo, con lo que decidió denominarlo eritronio, por rojo en griego.
Pero, ¡ay!, aquí viene la injusticia. Un año después pasó por México el explorador y científico alemán Alexander von Humboldt, y del Río le entregó una muestra de compuestos del nuevo elemento. Von Humboldt se la hizo llegar al químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils… quien llegó a la conclusión de que lo que Andrés Manuel había “descubierto” no era sino cromo, que el madrileño había confundido con un elemento desconocido. Quien se confundía, naturalmente, era Collet-Descotils, aunque se redimiría al descubrir él mismo otro elemento nuevo, del que hablaremos en su momento, ¡pero no olvides su nombre, aunque hoy sea el “malo” de la historia, para cuando aparezca de nuevo en la serie!
Estados de oxidación del vanadio
Estados de oxidación del pancromio haciendo honor a su nombre: +2 (lila), +3 (verde), +4 (azul) y +5 (amarillo) (dominio público).
Tras el análisis de Collet-Descotils, von Humboldt y el resto de la comunidad científica descartaron el descubrimiento del eritronio como un error, y el propio Andrés Manuel del Río admitió su error y la cosa quedó olvidada nada menos que durante tres décadas.
En 1829, el sueco Nils Gabriel Sefström se encontraba estudiando las propiedades del acero y cómo aumentar su resistencia aleándolo con distintos elementos, cuando identificó uno que no coincidía con ninguno de los conocidos. Sefström se aseguró de que, efectivamente, había descubierto un elemento nuevo –y, de acuerdo con los datos de los que disponía, así era– y lo llamó vanadio, en honor a la diosa escandinava Freyja, uno de cuyos nombres es Vanadís. ¡Ahí te quedas, Andrés Manuel!
La vida, sin embargo, es a veces irónica. Un químico alemán que tenía sólo un año cuando del Río había descubierto el eritronio volvió a analizar la muestra que, veintinueve años antes, había llegado a Europa desde México, y no le cupo la menor duda: el elemento que había descubierto Sefström era el mismo que había identificado del Río en 1801. La muestra del mexicano contenía cromo, como había indicado Collet-Descotils, pero también vanadio. ¡Del Río tenía razón! No sólo eso, sino que el mexicano pudo enterarse de ello, ya que aún vivía por entonces (murió en 1849).
Desgraciadamente, el nombre de vanadio fue el que cuajó entre los científicos, a pesar de que no era realmente un nuevo elemento. El geólogo estadounidense George William Featherstonhaugh propuso denominar al elemento rionio, por del Río, pero su sugerencia no fue seguida, y de ahí que tú, estimado lector, al igual que yo, hayamos oído siempre el nombre vanadio, que, aunque sea bastante más sonoro que rionio o eritronio, es una injusticia como un piano de cola. Pero es lo que hay.
El caso es que tanto del Río como Sefström pudieron identificar la presencia de un elemento nuevo en sus compuestos, pero no aislar vanadio metálico puro. Hubo que esperar otras tres décadas más, hasta 1867, cuando el inglés Sir Henry Enfield Roscoe pudo reducir cloruro de vanadio con hidrógeno y obtener así el metal. Lo que vio Roscoe fue un metal plateado, como prácticamente todos (Roscoe, claro está, no obtuvo estas cantidades y probablemente tampoco con esta pureza):
Vanadio metálico
Vanadio metálico (Alchemist-hp/CC 2.0 Attribution-Share Alike Germany License).
Una vez identificado el vanadio, fue posible detectarlo en distintas rocas, y resultó que lo había en bastantes, aunque muchas veces en proporciones ínfimas. Dado su colorido carácter al formar parte de compuestos, muchas de las rocas que contienen pancromio –quiero decir, vanadio– tienen bellísimos colores, como en el caso de la vanadinita (el mineral en el que del Río encontró eritronio por primera vez):
Vanadinita
Cristales de vanadinita (rojo) sobre goethita (oscura) (dominio público).
Pero, además de minerales en los que la concentración de vanadio es grande, existe en minúscula proporción en muchas otras rocas. La mayor parte del vanadio que producimos anualmente proviene básicamente de magnetita con trazas de vanadio. Existe incluso en el carbón y el petróleo, y no te pierdas el siguiente dato, porque es bien curioso: la producción comercial anual de vanadio en el mundo entero es de unas 59 000 toneladas métricas. Cuando quemamos petróleo y carbón (en fábricas, coches, etc.), liberamos el vanadio presente en el combustible… cada año, unas 110 000 toneladas, ¡casi el doble que el que producimos comercialmente!
En cualquier caso, el vanadio no es demasiado útil en su forma pura, porque es un metal bastante blando y, aunque se opone bien a la corrosión, no se pueden construir cosas resistentes con él. No sólo eso, sino que además es bastante caro, dada su escasa concentración en casi todas las rocas, de modo que no tendría sentido usarlo en vez de otros metales más baratos y resistentes. Básicamente, hoy en día lo empleamos para dos cosas fundamentales.
En primer lugar, a principios del siglo XX se descubrió el hecho de que pequeñas cantidades de este metal como aditivo del acero lo hacía bastante más resistente. Suele añadirse al acero en forma de ferrovanadio (FeV), una aleación de hierro y rionio, y el acero de este tipo se lleva empleando desde entonces para fabricar piezas de motores, ejes, etc. El famoso Ford T tenía una cantidad bastante grande de vanadio en su acero, un avance técnico de alto nivel para la época. También se emplea hoy en día aleado con titanio, sobre todo en aviones. Alrededor del 85% de la producción anual mundial de vanadio se destina precisamente a incluirlo en aleaciones diversas, siempre en una cantidad pequeña pero crucial.
Línea de montaje del Ford T
Línea de montaje del Ford T (dominio público)
El ferrovanadio es especialmente útil porque ni siquiera requiere aislar el vanadio: puesto que la mayor parte la obtenemos de la magnetita, el vanadio ya está en ella con hierro, de modo que se produce directamente ferrovanadio sin necesidad de pasar por una etapa intermedia –y costosa– de vanadio metálico aislado. Cuando sí hace falta obtenerlo puro, se suele hacer de un modo diferente y más complicado del que empleó Roscoe; se calienta el mineral que contiene vanadio a altas temperaturas (unos 850 °C) junto con algunas sales, como cloruro sódico o carbonato sódico, de modo que éstas “roben” los átomos de vanadio al mineral, y luego reduciendo esas sales con calcio para obtener el metal puro… pero, como digo, esto no es tan común como extraer directamente ferrovanadio, dada la enorme proporción de vanadio que se emplea de ese modo.
Sin embargo, el 15% restante sigue siendo importante. La mayor parte de ese porcentaje lo utilizamos como pentaóxido de divanadio, V2O5. Durante muchos años se empleó platino como catalizador en la producción de ácido sulfúrico, pero hoy en día se emplea mayoritariamente este óxido del vanadio. Y, dada la importancia crucial del ácido sulfúrico en nuestra industria –tanto que es posible estimar la capacidad industrial de un país por su consumo de ácido sulfúrico–, el V2O5 es un producto fundamental en la industria química mundial.
Óxido de vanadio (V)
Pentaóxido de divanadio, V2O5 (Materialscientist/CC 3.0 Attribution-Share Alike License).
Es posible que, a largo plazo, este segundo uso –como catalizador en forma de compuesto– se convierta en el principal para el vanadio, puesto que otros metales más o menos “raros”, como el niobio (del que hablaremos en el futuro en esta misma serie), pueden sobrepasarlo como aditivos de los aceros en unos años, ya veremos. Ahora mismo, aunque no lo empleemos en cantidades muy grandes, sí es un engranaje de considerable importancia en la industria.
Los compuestos del vanadio son en muchos casos, por cierto, peligrosos. No me preguntes exactamente qué efectos produce, porque no he conseguido encontrar detalles –sospecho que no se han realizado suficientes pruebas concretas–, pero la mayor parte de las agencias toxicológicas previenen contra concentraciones de polvo de vanadio o sus óxidos en el aire por encima de límites muy pequeños. No parece que lo podamos asimilar si lo ingerimos, de modo que el peligro suele estar relacionado con la posibilidad de inhalarlo, y que puede tener efectos adversos sobre el sistema respiratorio incluso en cantidades pequeñas.
Esto, sin embargo, no tiene que causar alarma general: el problema lo tienen quienes trabajan en lugares en los que puede haber vapores de V2O5, polvo de vanadio al cortar piezas que lo contengan o en la producción de aceros. Una vez el vanadio forma parte de una pieza metálica de acero, por ejemplo, es perfectamente estable en ella y no hay peligro por conducir coches, viajar en aviones o vivir en edificios con aceros que tengan vanadio. Si alguien sabe qué efectos produce exactamente inhalar polvo de vanadio, ya sabéis. No es el primer caso en el que hablamos de riesgos de este tipo, con lo que tal vez las causas sean similares a las del polvo de berilio, del que ya mencionamos que es cancerígeno, aunque no tengo noticia de pruebas que demuestren lo mismo del vanadio.
Ascidia
Ascidia (Gronk/CC 3.0 Attribution Sharealike License).
A quienes no preocupa el vanadio en absoluto, aunque parezca extraño, es a las ascidias, ¡porque forma parte de su organismo! El químico alemán Martin Henze lo detectó en la sangre de estos animales tunicados en 1911. Seguro que conoces la hemoglobina, el pigmento de nuestra sangre que le proporciona el color rojo y que contiene hierro. Bien, pues algunos ascidiáceos tienen un pigmento en la sangre llamado hemovanadina, que en vez de ser rojizo es verdoso, y en vez de contener hierro, contiene vanadio. Eso sí, a diferencia de la hemoglobina, la hemovanadina no transporta oxígeno y, por lo que he podido leer, no estamos siquiera seguros de cuál es su función ni su utilidad para las ascidias. Pero haberla, probablemente la hay, porque dada la escasez de este metal, tenerlo como parte de la propia biología es, cuando menos, curioso.
En la siguiente entrada de la serie, un elemento similar, también colorido en sus compuestos y útil industrialmente: el elemento de 24 protones, el cromo.
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