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El vanadio, elemento químico de símbolo V fue descubierto por primera vez en 1801 por Andrés Manuel del Río. El mineralogista español bautizó el metal raro en honor a la diosa nórdica de la belleza, Dis de los Vanir, debido a los colores vivos de sus compuestos. No fue hasta 30 años después que su trabajo fue validado por Friedrich Wöhler.
El vanadio pertenece al grupo 5B de la tabla periódica. El V natural comprende dos isótopos: el isótopo estable 51V (99,76%) y el isótopo ligeramente radioactivo 50V (0,24%). El vanadio existe en diferentes estados de oxidación (de -3 a +5). Estas transiciones representan los colores del arcoíris. Como metal de transición, presenta todas las características típicas: resistencia, conductividad eléctrica. Estas numerosas cualidades le han otorgado el título de metal versátil con numerosas aplicaciones.
El vanadio ha sido utilizado desde la Edad Media en la metalurgia, especialmente en la fabricación de hojas. Gracias a sus características nació el secreto de las famosas hojas de Damasco con sus magníficas inscripciones. El vanadio todavía se utiliza hoy en la metalurgia. También está experimentando un interés creciente en la tecnología y en numerosos sectores, como la cerámica y la industria. Existen varios productos a base de vanadio en el mercado, y la demanda de tales productos está creciendo. Esta tendencia ha hecho que el vanadio sea actualmente considerado uno de los metales estratégicos del mundo.
Sin embargo, las extensivas actividades mineras han provocado una grave contaminación por vanadio. Cerca del 53% del vanadio presente en el aire sería de origen humano. El vanadio se clasifica entre los cinco primeros elementos de transición, con concentraciones medias de 150 mg kg-1 en el suelo, 1,8 μg L-1 en los océanos y 1.000 ng m3 en la atmósfera de las zonas urbanas. La toxicidad del vanadio hace que presente un riesgo para la humanidad y el planeta. La ecotoxicidad del vanadio será objeto del último capítulo de este artículo después de sus características, su uso, su producción y los riesgos del vanadio para la salud humana.
El vanadio es un elemento químico de número atómico 23. Estas son sus propiedades atómicas y físico-químicas:
El vanadio es un metal raro de color blanco plateado de oxidación acelerada a aproximadamente 660 °C. Los estados de oxidación comunes del vanadio son el monóxido de vanadio (+2), el trióxido de vanadio (+3), el dióxido de vanadio (+4) y el pentóxido de vanadio (+5). Estos óxidos, reconocidos por su carácter anfótero, son respectivamente de color violeta pálido, verde, azul e incoloro.
La diferencia de colores de los diferentes estados de oxidación del vanadio se explica por el hecho de que pertenece a los metales de transición. Son elementos químicos cuyos átomos tienen una subcapa electrónica d incompleta, o que pueden formar cationes cuya subcapa electrónica d es incompleta. Además de los óxidos coloridos, el vanadio posee otras características comunes a esta familia de elementos.
Otra característica notable del vanadio es su papel como oligoelemento. El vanadio interviene en numerosas reacciones enzimáticas, así como en la mineralización de huesos y dientes, y permite inhibir la síntesis de colesterol. Está presente en pequeñas cantidades en la pimienta negra, los hongos, las legumbres y los mariscos.
Otra especificidad notable del vanadio es su excelente fuerza estructural. El vanadio es un metal particularmente duro. Su resistencia a los arañazos se estima en 7 en la escala de Mohs. Su resistencia a las indentaciones se eleva a 650 MPa. Además de su dureza, el vanadio también es dúctil y maleable debido a su estructura cristalina cúbica centrada.
Estas numerosas características le otorgan al vanadio el estatus de elemento esencial por la multiplicidad de sus posibles aplicaciones.
El vanadio se utiliza principalmente en la industria siderúrgica, hasta el 90% del stock disponible. Sin embargo, sigue siendo un componente esencial en varias industrias sofisticadas. La electrónica, la navegación espacial, la tintura, las industrias nucleares, así como la medicina y más recientemente las tecnologías verdes conocen una demanda creciente de este elemento. Con sus características especiales, el vanadio y sus derivados permiten sectores de aplicación variados.
El vanadio es muy apreciado en la siderurgia por el refuerzo de los metales y su fuerte resistencia a la corrosión. En estado elemental, el vanadio se destina principalmente a la fabricación de aleaciones de metales.
El ferrovanadio es la principal aleación metálica compuesta de vanadio. Generalmente se produce por reducción de mineral de vanadio con hierro o acero. Sirve principalmente como aditivo en la producción de acero para mejorar la resistencia, la dureza, la resistencia a la corrosión y la resistencia al desgaste. El ferrovanadio es particularmente útil en la producción de aceros especiales para aplicaciones donde la resistencia es un requisito crítico, como herramientas de corte, piezas de motores de alto rendimiento, puentes y tuberías. También se utiliza en la producción de titanio y aluminio para mejorar sus propiedades mecánicas.
Con su fuerza y estabilidad térmica, el vanadio es un elemento insustituible en la industria aeroespacial. La aleación de vanadio con titanio se utiliza especialmente en la fabricación de motores a reacción.
La aleación cromo-vanadio, por su parte, es apreciada por su resistencia al desgaste y se utiliza en la fabricación de cuchillos, herramientas y piezas mecánicas como destornilladores y tornillos de alta resistencia. Las otras aleaciones no ferrosas (aluminio, cobre, …) también son importantes en la aeronáutica y la tecnología espacial.
La construcción constituye otro campo donde el vanadio es un recurso capital. Su dureza y resistencia a la corrosión y al desgaste lo convierten en un aditivo importante. Se utiliza en edificios con estructura de acero microaleado. Sirve, por ejemplo, en el diseño de barras de refuerzo antisísmicas, una aplicación esencial para los países con alta exposición a los terremotos.
Otro uso del vanadio es la fabricación de vidrio opacificante energéticamente eficiente para ventanas. El vanadio, en forma de pentóxido de vanadio, que es un absorbente de los rayos UV, permite evitar la pérdida de calor bloqueando la radiación térmica durante el invierno y la infiltración de radiaciones infrarrojas en el edificio.
La aplicación del vanadio en la química es diversificada, particularmente en estado de óxido. Sirve sobre todo como catalizador en varias industrias. El pentóxido de vanadio permite producir especialmente ácido sulfúrico y formaldehído.
El azul vanadio, otro nombre del pentóxido de vanadio, también se utiliza como pigmento en la industria de pinturas y revestimientos para producir tonos desde azul claro hasta azul profundo. Además de su uso en la industria, el azul vanadio también se utiliza en química analítica como reactivo para determinar el contenido de alcalinidad en aguas naturales y aguas residuales. También se utiliza en la investigación científica para estudiar las propiedades de la materia a escala atómica y molecular.
El vanadio se utiliza en aplicaciones nucleares en forma compuesta. Las aleaciones de vanadio se utilizan, por ejemplo, en la estructura de los reactores nucleares. Tienen la ventaja de presentar una baja absorción de neutrones, un factor de estrés térmico elevado y una resistencia a las radiaciones. Otro compuesto, el hidruro de vanadio, sirve también como moderador de neutrones en los reactores atómicos.
El vanadio conoce aplicaciones en medicina. Añadido al aluminio y al titanio, permite diseñar dispositivos médicos como los implantes ortopédicos. Además de la utilidad metálica del vanadio, este elemento también conoce un interés en el campo farmacéutico. Uno de sus derivados, el sulfato de vanadilo por ejemplo, se utiliza en el diseño de vitaminas que sirven para mejorar el metabolismo de la glucosa en la sangre. La propiedad insulino-sensibilizante de los productos terapéuticos a base de vanadio ha supuesto un posible uso del vanadio en la cura contra la diabetes. Pero las investigaciones han demostrado la imposibilidad de la solución a largo plazo, dada la toxicidad del vanadio. Otra línea de investigación médica sobre el vanadio apunta a la quimioterapia, dados los prometedores efectos antitumorales del elemento y sus derivados. Los estudios han mostrado que los compuestos del vanadio tienen efectos preventivos contra la carcinogénesis química mediante la modificación de las enzimas xenobióticas. Esta característica permite inhibir los metabolitos activos procedentes de los carcinógenos. Los estudios también han mostrado que los efectos antitumorales del vanadio conducían a la activación de los genes supresores de tumores mediante la inhibición de las tirosinas fosfatasas celulares y la activación de las tirosinas fosforilasas. El vanadio también tiene efectos inhibidores sobre el potencial metastásico de las células cancerosas gracias a la modulación de las moléculas adhesivas celulares y puede revertir la resistencia a los medicamentos antitumorales. Dado que su toxicidad es notablemente menor en comparación con otros metales o agentes antitumorales orgánicos, podría ser una solución eficaz en el tratamiento del cáncer.
El vanadio conoce un interés creciente en la electrónica. El vanadato de itrio se utiliza especialmente en el diseño de tubos de televisión en color. El uso más prometedor de este metal está en la producción de baterías llamadas de flujo redox de vanadio, que se consideran una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio debido a su capacidad de almacenamiento de energía a gran escala y su larga vida útil.
Una batería de flujo es un tipo de batería recargable que almacena energía eléctrica, generalmente en forma de soluciones de iones metálicos. A diferencia de las baterías convencionales, esta tecnología separa los procesos de almacenamiento y conversión de energía, lo que les permite almacenar grandes cantidades de energía a costos relativamente bajos. Las baterías de flujo están destinadas al almacenamiento de energía renovable de fuente eólica o solar, ya que permiten almacenar energía en exceso cuando la producción es superior a la demanda y liberarla cuando sea necesario. Las baterías de flujo también permiten estabilizar la red eléctrica y proporcionar energía de respaldo. Las ventajas de las baterías de flujo incluyen su durabilidad, su bajo costo de mantenimiento, su gran capacidad de almacenamiento, su seguridad y su bajo impacto ambiental. Su eficiencia energética es solo inferior a la de las baterías convencionales, lo que limita su uso en ciertas aplicaciones. Pero las previsiones de los expertos del campo muestran que la parte de la producción mundial de vanadio destinada a este mercado debería aumentar en los próximos años frente a la creciente demanda energética.
El vanadio consumido en las diversas aplicaciones citadas anteriormente proviene de tres fuentes. Son los minerales, otras fuentes naturales y los procesos industriales.
Según el Instituto de Investigación en Mineralogía Americano, la reserva mundial de vanadio se estima en más de 63 millones de toneladas. El elemento se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos químicos presentes en más de 65 especies de minerales, incluyendo la bauxita, la tanzanita y materiales carbonados como el carbón.
Los minerales más comunes en la metalurgia del vanadio son los siguientes:
Todos los minerales son, previamente, triturados, molidos y tamizados antes de ser introducidos en un proceso de extracción. El mineral de vanadio es generalmente un subproducto de la extracción minera de otro material. La producción minera mundial de vanadio en 2022 se estimaba en 100.000 millones de toneladas. Los 4 principales países productores son China con 70.000 millones de toneladas, Rusia con 17.000 millones, Sudáfrica con 9.100 millones y Brasil con 6.200 millones. Las minas estadounidenses fueron cerradas en 2020 debido a la situación sanitaria y aún no habían reabierto en 2022.
Además de la fuente natural, el vanadio y sus derivados pueden obtenerse de la producción industrial. El vanadio se obtiene especialmente como producto secundario en ciertas fabricaciones industriales. La metalurgia del aluminio con la bauxita como materia prima produce especialmente sal de vanadio como desecho. Lo mismo ocurre con las refinerías de petróleo cuyos residuos contienen hasta un 40% de vanadio. Los hollines y las cenizas de las centrales térmicas también contienen vanadio.
Además de los desechos industriales, varios procesos permiten producir vanadio. El vanadio elemental se produce por la reducción del cloruro de vanadio por hidrógeno o magnesio. También se obtiene por el mismo proceso, pero con pentóxido de vanadio como materia prima y calcio como agente reductor. Este último método permite producir un vanadio puro al 99,5% a escala comercial. Este nivel de pureza puede aumentarse hasta más del 99,9% mediante métodos de refinamiento (aluminotermia, tratamiento con yodo o electrotransporte) según la calidad deseada.
El pentóxido de vanadio por su parte puede obtenerse por reducción de titanomagnetita con carbón a alta temperatura. El proceso produce escorias que contienen principalmente titanio y hierro bruto con principalmente hierro y vanadio. Luego se insufla oxígeno al hierro bruto fundido para producir otro tipo de escoria que contiene hasta un 12 a 24% de pentóxido de vanadio.
También puede producirse a partir de la carnotita (uranio-vanadio) mediante lavado con ácido sulfúrico. El proceso consiste en la extracción con solvente del uranio y la reducción a polvo de hierro del vanadio. El vanadio obtenido está en estado de sulfato de vanadilo, que se oxida con clorato de sodio para luego ser precipitado por sal de amonio.
Como se ha dicho anteriormente, el vanadio es un componente esencial en ciertas actividades industriales. Sin embargo, los compuestos del vanadio, en particular el pentóxido de vanadio, presentan una toxicidad que puede presentar riesgos para la humanidad y el medio ambiente.
Si toda la población mundial está débilmente expuesta al vanadio por su presencia en el aire, el agua y los alimentos, las personas que trabajan en las fábricas de tratamiento del vanadio son las que corren más riesgo. El vanadio está efectivamente más concentrado en las fábricas de tratamiento del producto, pero también está presente en el humo de los cigarrillos, las instalaciones industriales de combustión de fuel o de carbón.
Los efectos de la exposición a los compuestos del vanadio, ya sea por ingestión, contacto cutáneo o inhalación, varían según la dosis, la duración y el grado de toxicidad de la materia. Algunos derivados del vanadio son más tóxicos que otros, como los óxidos de vanadio lo son más que los vanadatos. Se clasifican en tres niveles de gravedad. La forma leve se presenta por una rinitis y una irritación de la garganta. El resfriado puede dar lugar a un estado de debilidad general. También pueden aparecer casos de conjuntivitis y diarrea. La forma moderada incluye la conjuntivitis, la irritación de los bronquios con dificultad para respirar, así como vómitos y diarrea. También puede manifestarse por erupciones cutáneas. La forma severa se caracteriza por bronquitis y bronconeumonías. Los dolores de cabeza, vómitos y palpitaciones también pueden agravarse. Desórdenes del sistema nervioso como estados neurotóxicos severos y temblores de las manos y los dedos constituyen otros síntomas.
Las investigaciones sobre la característica de disruptor endocrino del vanadio han demostrado que el elemento puede ser mortal a altas dosis y presentar efectos secundarios importantes en términos reproductivos y genéticos. Los experimentos realizados en animales de laboratorio han mostrado que a largo plazo, una fuerte exposición al vanadio provocaba debilitamiento con anorexia y pérdida de peso. Estos síntomas son seguidos por hemorragias nasales o pulmonares con una necrosis de los tejidos linfoides y una necrosis tubular renal, siendo el hígado y el pulmón los órganos que muestran mayor concentración de vanadio. Estas patologías conducen a la muerte. La reprotoxicidad, es decir, la disminución del número de recién nacidos viables y la genotoxicidad (transformación del ADN) también se han observado en ratas de laboratorio tras una exposición continua al vanadio.
Existen antídotos y quelantes para reducir la toxicidad del vanadio y sus derivados, como los extractos vegetales de sésamo. Sin embargo, su uso da lugar a efectos secundarios.
El ciclo biogeoquímico del vanadio se caracteriza por una liberación natural a la atmósfera, el agua y la tierra, y por fuentes antropogénicas. Las fuentes de exposición al vanadio debidas a fenómenos naturales parecen considerables. Por ejemplo, en el aire o en el agua, el vanadio proviene principalmente de las emisiones volcánicas, de la erosión de las rocas. Pero las fuentes antropogénicas ganan en importancia en la contaminación del aire, del suelo y de las aguas con el crecimiento de las actividades industriales relacionadas con el vanadio, especialmente en las regiones petroleras e industriales.
Los aerosoles de hidrocarburos de las fábricas de calefacción y de refinamiento de petróleo producen especialmente no menos de 100 Gg de vanadio al año. Las fábricas de extracción de petróleo producen como máximo 410 Gg de vanadio al año. Las partículas de vanadio presentes en la atmósfera se estiman en 150 Gg, de las cuales un porcentaje se transforma en agua de lluvia para terminar en los océanos.
Estas cantidades presentan un riesgo para la fauna y la flora, especialmente con la contaminación de las aguas y los suelos. Los umbrales de toxicidad varían según las especies. En los animales marinos, la concentración de efecto se sitúa entre 0,37 y 65 mg/L en los crustáceos y entre 0,16 y 55 mg/L para los peces. La fitotoxicidad se ha comprobado desde unos pocos mg/L en las algas de agua dulce y los zooplancton cultivados en laboratorio. Una situación de riesgo para la cadena alimentaria de los medios acuáticos y el ecosistema en su conjunto. Para los animales, la dosis letal varía también según la especie, pero un caso reciente sueco vio la muerte de 23 bovinos de un rebaño de 98 cabezas en 10 días tras una intoxicación aguda por ingestión de hierba contaminada con vanadio, procedente de una dispersión de escoria metalúrgica. En cuanto a la contaminación de los suelos por vanadio, se observa más en las regiones que explotan este elemento, especialmente en Estados Unidos y Sudáfrica. Las concentraciones varían según el nivel de explotación y la naturaleza del suelo, pudiendo llegar hasta 9.200 mg/kg de suelo. En caso de fuerte concentración, la difusión de este elemento tóxico puede aumentar los riesgos medioambientales.
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