Vanadiumgruppe Eigenschaften

Die 5. Gruppe (3. Nebengruppe) des Periodensystem der chemischen Elemente




Die Vanadiumgruppe ist die 3. Nebengruppe im Periodensystem der chemischen Elemente. Sie beinhaltet die Elemente Vandium, Niob, Tantal und Dobnium.

Vandiumgruppe

Vandiumgruppe

Die Vanadiumgruppe umfasst die 4 Elemente Vanadium, Niob, Tantal und Dubnium und ist nach seinem ersten Gruppenvertreter Vanadium benannt. Es handelt sich dabei um Metalle der 5. Gruppe des Periodensystems, die alle ganz ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen. Dies liegt daran, dass ihre äußersten Elektronenschalen entweder mit 3 oder auch mit 5 Elektronen besetzt sind, früher sprachen die Chemiker in diesem Fall von „Dreiwertigkeit“, weil diese Atome entweder weitere 3 Elektronen von ihrem Reaktionspartner aufnehmen, um dadurch einen „vollständigen Achterring“ zu erlangen, oder sie geben sogar 3 Elektronen an ein anderes Element ab. Übrigens wurde das schwerere Dubnium (Ordnungszahl 105) erst 1967 erstmalig künstlich hergestellt. Eben wegen der Dreiwertigkeit haben alle diese Metalle dieser Gruppe ähnliche chemische Eigenschaften. Tantal und Niob kommen in der Natur oft vergesellschaftet vor. Ihre Oxide, auch jene von Vanadium wurden früher als Erdsäuren oder Saure Erden bezeichnet.




Die Eigenschaften der Elemente der Vanadiumgruppe im Vergleich

V – Vanadium
Ordnungszahl: 23
Atomgewicht: 50,942
Aussehen: stahlgrau metallisch und bläulich schimmernd
Dichte: 6110 kg/qm
Schmelzpunkt: 1910 °C
Siedepunkt: 3407 °C

Nb – Niob
Ordnungszahl: 41
Atomgewicht: 92,906
Aussehen: grau metallisch
Dichte: 8570 kg/qm
Schmelzpunkt: 2477 °C
Siedepunkt: 5017 °C

Ta – Tantal
Ordnungszahl: 73
Atomgewicht: 180,95
Aussehen: grau metallisch
Dichte: 16650 kg/qm
Schmelzpunkt: 3290 °C
Siedepunkt: 5731 °C

Db – Dubnium
Ordnungszahl: 105
Atomgewicht: 262
Aussehen: keine Angabe
Dichte: keine Angabe
Schmelzpunkt: keine Angabe
Siedepunkt: keine Angabe

Zur Erinnerung: Die Ordnungszahl bedeutet auch die Anzahl der Protonen, also der positiven Elementarladungen im Atomkern. Die Zahl der Elektronen in allen Elektronenschalen entspricht jeweils genau der Ordnungszahl, um ein elektrisch neutrales Atom zu formieren. Das Atomgewicht ist stets die Summe aus Protonen und Neutronen im Atomkern. Da die Bindungskräfte (starke Wechselwirkung) dieser so genannten Nukleonen bei den verschiedenen Atomen geringfügig unterschiedlich ist, ergeben sich bei den Atomgewichten die etwas krummen Nachkommastellen. Mit anderen Worten: diese winzigen Massenunterschiede werden z. B. bei der Atombombe gemäß Einsteins Formal E=mc2 in riesige Energiemengen bzw. jene extrem starken Kernkräfte verwandelt.

Vanadium als Stellvertreter für die Vanadiumgruppe

Da die chemischen und kristallografischen Eigenschaften der 4 Elemente der Vanadiumgruppe sehr ähnlich sind, soll hier auch stellvertretend für alle das Metall Vanadium (früher Vanadin) näher beschrieben werden:
Es handelt sich dabei um ein etwas bläulich schimmerndes, stahlgraues, so genanntes Übergangsmetall, das in reinem Zustand (gediegen) sehr weich ist. Ein großer Teil des Vanadiums wird als „Ferrovanadium“ bei der Stahlherstellung eingesetzt. Wenn man Vanadium eben den Chrom-Vanadium-Stählen zusetzt, führt dies zu einer deutlichen Erhöhung der Zähigkeit, also zu einer Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit des Stahls.

Übrigens hat dieses Element auch eine große biologische Bedeutung, ist sogar für viele Lebewesen essenziell. Vanadium spielt z. B. eine Rolle bei der Enzym-Steuerung oder bei der Phosphorylierung, und es wird auch von Bakterien zur Stickstofffixierung verwendet.

Vorkommen

Vanadium kommt auf der Erde sogar recht häufig vor. Sein Anteil innerhalb der kontinentalen Erdkruste liegt bei ca. 120 ppm (parts per million). Vanadium kommt aber nie gediegen (rein), sondern immer nur in Mineralen, also in großen Molekülen gebunden vor. Hohe Vanadium-Konzentrationen im Sinne von richtigen Lagerstätten gibt es extrem selten. Die bekannteste und häufigste Vanadiumverbindung ist Vanadiumoxid. Es wird beispielsweise als Katalysator für die Schwefelsäure-Produktion verwendet.
Bekannte Vanadiumminerale sind die Vanadate, z. B. Descloizit Pb(Zn,Cu)[OH|VO4], Vanadinit [Pb5(VO4)3Cl] oder Carnotit [K2(UO2)2(VO4)2·3H2O], aber auch das Vanadiumsulfid (VS4) Patronit. Der größte Teil des Vanadiums befindet sich in sehr kleinen Spuren vor allem in Eisenerzen wie Magnetit. Bei Titan-Magnetit-Erzen beträgt der Gehalt an Vanadium ungefähr zwischen 0,3 und 0,8 %, in Einzelfällen aber auch deutlich mehr.

Sogar der Mensch beinhaltet in etwa 0,3 mg/kg dieses Elements, das meiste davon in den Mitochondrien bzw. in den Zellkernen. Der Fliegenpilz und einige Seescheidenarten sind sogar in der Lage, Vanadium anzureichern bzw. aufzukonzentrieren. Kohle, Erdöl und Erdgas, die u. a. auch aus solchen Lebewesen entstehen, sind deshalb bis zu einem Betrag von 0.1 % vanadiumhaltig.

Elemente der Vanadiumgruppe

Vanadium

 Name  Vanadium
Symbol  V
Ordnungszahl  23
Aussehen  stahlgrau, blau
CAS-Nummer  7440-62-2
Serie  Übergangsmetalle

Vanadium ist ein chemisches Element, das das Symbol V hat. Ihm ist die Ordnungszahl 23 gegeben.

Vanadium ist stahlgrau, bläulich schimmernd und weiches Übergangsmetall, das im Periodensystem der Elemente (PSE) zusammen mit anderen schweren Elementen die 5. Gruppe, die Vanadiumgruppe bilden.
Die CAS Nummer ist 7440-62-2. An der Erdhülle hat es einen Masseanteil von 0,041 %.
Die Atommasse liegt bei 50,94 u, der berechnete Atomradium liegt bei 135 pm und der kovalente Radium bei 153 pm.
Sein Aggregatzustand ist fest und die Kristallstruktur ist kubisch raumzentriert. Seine Dichte ist 6,11 g/cm3 bei 20 Grad. Es ist paramagnetisch und hat den Schmelzpunkt bei 2183 Kelvin. Der Siedepunkt liegt bei 3680 Kelvin. Das molare Volumen ist 8,32*10-6 m3/mol. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 31 W/(m*k).

Niob

 Name  Niob
Symbol  Nb
Ordnungszahl  41
Aussehen  grau metallisch
CAS-Nummer  7440-03-1
Serie  Übergangsmetalle

Niob ist ein Übergangsmetall mit der Ordnungszahl 41 und dem Elementsymbol Nb. Der englische Chemiker und Mineralogen Charles Hatchett entdeckte das Schwermetall 1801 in einer Probe Columbit-Erz, die im amerikanischen Massachusetts entnommen wurde. Hattchet gab dem Element den heute veralteten Namen Columbium. In älteren Schriften findet sich deshalb Cb als Symbol für Niob. Zunächst hielten Wissenschaftler Niob und das ein Jahr später entdeckte Tantal für das gleiche Element. Der deutsche Chemiker Heinrich Rose konnte 1844 nachweisen, dass es sich um unterschiedliche Elemente handelt. Rose benannte aufgrund der Ähnlichkeit von Niob und Tantal das Element nach Niobe, einer Tochter des Tantalos. Es dauerte über ein Jahrhundert bis 1950 die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Niob als offiziellen Namen bestimmte und den Namensstreit beendete.

Tantal

 Name  Tantal
Symbol  Ta
Ordnungszahl  73
Aussehen  grau
CAS-Nummer  7440-25-7
Serie  Übergangsmetalle

Der schwedische Chemiker Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) entdeckte Tantal im Jahre 1802 in einem Columbit-Erz aus Finnland. Er separierte ein äußerst beständiges Oxid, das Tantalpentoxid, ab. Er stellte dabei fest, dass es sich in keiner Säure löste.
Die Herstellung von reinem duktilen Tantal gelang Werner von Bolton erst im Jahr 1903. Erreicht wurde dies durch unter Vakuum im elektrischen Flammenbogen geschmolzenes unreines Tantal-Metall und durch die Reduktion des glühenden Oxids im Vakuum.

Dubnium

 Name  Dubnium
Symbol  Db
Ordnungszahl  105
Aussehen  künstlich erzeugt
CAS-Nummer  –
Serie  Übergangsmetalle

Dubnium ist ein künstlich erzeugtes chemisches Element und trägt im Periodensystem die Ordnungszahl 105. Das Element sowie alle Isotope des Elements sind radioaktiv. Des Weiteren gehört Dubnium zu den Transactinoiden.

Die Entdeckung erfolgte durch gleich zwei Wissenschaftler, einmal im Jahre 1967 und einmal nur drei Jahre später, 1970. 1967 entdeckte der russische Physiker Georgi Nikolajewitsch Fljorow das Element Dubnium. Durch ein aufwendigen Teilchenbeschuss wurde das Element von ihm entdeckt. Durch das Herstellungsverfahren des Teilchenbeschusses, wurde das Element, und alle anderen Elemente der Transactinoide, künstlich hergestellt. Bei diesem Verfahren von Fljorow wurde das Element Americium durch Neon Kerne beschossen. Laut ihm sollte das neu entdeckte Element auch den Namen „Niehlsborium“ tragen.

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