Por Andy Gálvez Rodríguez
El vanadio (V, Z=23) es un metal de la primera serie de transición, ubicado en el grupo 5 de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos. Es un metal dúctil, blando. Está distribuido universalmente en el suelo y tiene una abundancia de 0,02% (lugar 22) en la corteza terrestre. Es el segundo metal más abundante en el agua de mar con una concentración cercana a 35 nM, superado solo por el molibdeno (Mo). El elemento se encuentra naturalmente en minerales; hay cerca de sesenta y cinco diferentes tipos y en los depósitos de combustibles fósiles. Los más representativos son la patronita (VS5), vanadinita [Pb5(VO4)3Cl] y carnotita [K2(UO2)2(VO4)3*3H2O]. Éste último es más importante como mineral de uranio, pero también puede ser recuperado el vanadio.
Breve historia de su descubrimiento
El descubrimiento del vanadio encierra algunos aspectos muy llamativos e interesantes. En primer lugar, porque, junto al platino, es uno de los dos únicos elementos químicos que fueran descubiertos en América Latina; y en segundo porque fue descubierto en dos momentos diferentes de nuestra historia. El primer descubrimiento fue realizado entre 1800 y 1801 por Andrés Manuel del Río (1764–1849) un joven mineralogista español que analizó en su laboratorio un mineral recogido en la mina del Cardonal (México) al que denominó plomo pardo de Zimpán. De este mineral extrajo una sustancia a la que llamó pancromio (del griego, pan y cromos, muchos colores) por la variedad de colores que presentaban sus compuestos y que después renombró eritronio (del griego, eritro, rojo) por el color rojo que adquirían sus sales alcalinas al exponerlas al calor o tratarlas con ácidos.
Del Río envió una muestra del mineral al laboratorio del renombrado químico francés Hippolyte Collet-Descotil. Este analizó la misma en 1805 y llegó a la conclusión de que el mineral era un compuesto de cromo (recientemente descubierto por Vauquelin), razón por la cual de Río echó a un lado definitivamente la idea de haber descubierto un nuevo elemento. Pasaron casi treinta años hasta que, en 1830, Nils Gabriel Sefström, un químico sueco, empezó a investigar un polvo negro asociado a minerales de hierro de una mina en Taberg. Derivado de sus estudios, se percató que estaba en presencia de un elemento nuevo. Y fascinado por las llamativas y vistosas coloraciones de las soluciones de algunos de sus compuestos lo llamó vanadio, por Vanadis la diosa nórdica de la belleza y fertilidad. Finalmente, en 1831, Friedrich Wöhler, el famoso químico alemán que puso fin a la Teoría del Vitalismo, demostró ante la Academia que el vanadio de Seström era idéntico al eritronio de del Río. Finalmente resultó claro que la especie encontrada y estudiada por el español era la vanadinita. Las contribuciones iniciales más importantes a la química y al mejor conocimiento del nuevo elemento se debieron al químico inglés Henry E. Roscoe, quien fue también el primero en lograr la obtención del metal en su estado puro.
Aplicaciones y usos del vanadio
El uso del vanadio como componente principal de muchas aleaciones es, hoy en día su mayor aplicación. Los aceros que contienen este metal poseen gran dureza y pueden llegar a ser excepcionalmente resistentes a la corrosión. Por ejemplo, durante 2014 en los EEUU el 95% del vanadio consumido fue destinado a la construcción de estos materiales, los cuales son empleados en la fabricación de herramientas, maquinarias pesadas, en la industria aeronáutica y automovilística y hasta en la tecnología nuclear. Uno de los pioneros en su utilización fue Henry Ford, quien en 1905 utilizó por primera vez este tipo de aleaciones en la construcción del Ford T, con las que logró reducir considerablemente el peso del vehículo y aumentar su resistencia.
Entre las aleaciones de vanadio la más ampliamente difundida es la denominada ferrovanadio. Comercialmente es producida por reducción de minerales de vanadio, escorias conteniendo este elemento o el llamado V2O5 grado técnico, en presencia de hierro, óxidos o minerales de hierro, mediante carbono, aluminio o ferrosilicio. Entre las aleaciones no ferrosas de vanadio una de las más importantes es la de titanio. La misma contiene un 6% en peso de aluminio y 4% en peso de V, que ha sido muy utilizada en la construcción de aviones supersónicos. Debido a las características físico-químicas que presenta el sistema V-Cr-Ti: notable resistencia estructural a altas temperaturas y muy baja sección eficaz de captura de neutrones; los aceros fabricados empleando estos tres metales han encontrado especial aplicación en la tecnología nuclear. Estas aleaciones contienen un 4–5% en peso de Cr y la misma cantidad de Ti. En los últimos años se ha avanzado en el conocimiento de este material, lográndose la fabricación de varillas, hilos, alambres y tubos de diversos tamaños y espesores.
Muchos de los compuestos que forma el vanadio encuentran su uso potencial como catalizadores en diferentes procesos industriales relevantes. A continuación, listamos algunos procesos, de importancia industrial, catalizados por compuestos de vanadio:
- Producción de ácido sulfúrico. La reacción fundamental de su producción es aquella que genera el trióxido de azufre, la cual es fuertemente exotérmica y reversible. El catalizador empleado es V2O5 soportado sobre sílice.
- Producción de ácido adípico (ácido hexanodioico). Este ácido dicarboxílico es el más empleado a escala industrial, fundamentalmente por ser precursor en la síntesis del nylon. Habitualmente se le obtiene por oxidación de ciclohexanol con HNO3 utilizando como catalizador una mezcla de NH4VO3 y Cu(NO3)2.
- Síntesis de ácido fumárico. Este ácido dicarboxílico es ampliamente empleado como aditivo alimentario. Para su producción se emplean sales de vanadio como los fosfatos como catalizadores.
La utilización de complejos de vanadio en baterías aparece como la más novedosa y de más impacto actual entre todas las posibles aplicaciones de este elemento. Debido a la excesiva emisión de gases de efecto invernadero que provoca la generación de energía a partir de la quema de combustibles fósiles, muchos países han optado por la producción de electricidad a partir de energías renovables. En este sentido, la energía solar y la eólica aparecen como dos fuentes sumamente promisorias. Sin embargo, un problema importante de estas nuevas y potenciales fuentes de energía es su intermitencia, en días de escaso o nulo viento y en aquellos nublados. En este contexto, las baterías redox de flujo de vanadio (BRV) aparecen como una de las mejores y más efectivas respuestas a esta problemática.
Estas difieren de las baterías convencionales en dos aspectos: 1) la reacción ocurre entre dos electrolitos y no entre un electrolito y un electrodo; 2) los electrolitos están almacenados en tanques externos y circulan a través de la pila. Las reacciones redox que involucran al vanadio no generan ni gases ni vapores tóxicos, tienen muy bajo riesgo de explosión y un impacto ambiental muy bajo. Otras de las ventajas importantes de las BRV es su extendido período de vida y su limitado nivel de autodescarga. Uno de los problemas importantes relacionados al uso más intensivo de estas baterías, sigue siendo su costo. A pesar de los múltiples y variados desarrollos, variantes y modificaciones que se han implementado; esta adversidad se ha mantenido constante.
Presencia e importancia del vanadio en los seres vivos
La química de coordinación de este elemento ha recibido especial atención desde el descubrimiento de organismos vivos con concentraciones inusualmente altas de vanadio (en el cuerpo humano su concentración se mantiene alrededor de 0,3 μM) y enzimas dependientes de este elemento. En la actualidad se considera como un micronutriente esencial y se ha demostrado que su carencia puede provocar alteraciones en la absorción y degradación de los carbohidratos y lípidos, el deterioro óseo, la disminución en la producción de leche materna, abortos espontáneos y problemas psicológicos.
Estudios han demostrado que en las células sanguíneas de los tunicados (dígase de aquellos cordados que en la pared de su cuerpo segregan una túnica constituida por una sustancia celulósica llamada tunicina), llamadas vanadocitos, se encuentran concentraciones de vanadio 100 millones de veces superiores a las del agua de mar, de la cual extraen su alimento. Se cree que la función del vanadio en estos animales es la de intervenir en la síntesis de la túnica, la cual actúa como repelente de los posibles predadores, ya que cataliza la polimerización de las fibras de la tunicina.
Otra especie que presenta una concentración abismal de vanadio es el hongo Amanita muscaria (400 veces mayor que otras especies similares). El compuesto de coordinación en el que interviene se conoce como amavidina. Debido al mayor tiempo de vida de la A. muscaria con respecto a otras especies de hongos y a la mayor concentración de vanadio en sus láminas (donde está presente el material genético del hongo), se ha llegado a pensar si la causa de esta u otras características es la amavidina.
Se ha demostrado que algunos compuestos de vanadio incrementan la segregación de adiponectina, una hormona relacionada directamente con la obesidad y la diabetes. Además, los mismos compuestos tienen como efecto incrementar la producción de insulina. Otras investigaciones sugieren que el vanadio podría ser empleado como metalofármaco, ya que se ha encontrado que el mecanismo de acción de dichos compuestos es la inducción de apoptosis. El “Metvan” es uno de los más prometedores en esta área debido a que es efectivo contra diversos tipos de cáncer, como leucemia, cáncer de próstata y cáncer de ovario; además de tener una buena farmacodinámica y ningún efecto adverso detectado. Más recientemente, diversos complejos de vanadio han mostrado también su potencial medicinal en el tratamiento de enfermedades endémicas, así como en el tratamiento de infecciones virales como el Dengue, el SARS y el VIH.
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