天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2025年12月6日

钒(V,原子序数23):一种多面性的战略金属

钒原子模型
Simplified atomic model of the vanadium atom. The most abundant isotope is \(\,^{51}\mathrm{V}\,\) with its 23 protons, 23 electrons, and 28 neutrons.
Image source: astronoo.com

钒的发现历史

Vanadium has a turbulent history marked by several successive discoveries. In 1801, the Mexican mineralogist 安德烈斯·曼努埃尔·德尔·里奥 (1764–1849) discovered a new element in a lead ore from Mexico and named it 赤莲, referring to the red colors of its salts. However, mistakenly convinced by other chemists that it was merely impure chromium, del Río abandoned his discovery. It was not until 1830 that the Swedish chemist 尼尔斯·加布里埃尔·塞夫斯特伦 (1787–1845) independently rediscovered this element in a Swedish iron ore and named it , in honor of Vanadis, the goddess of beauty in Norse mythology, due to the variety and beauty of the colors of its compounds. In the same year, 弗里德里希·维勒 (1800–1882) confirmed that del Río's erythronium was indeed vanadium. Pure metallic vanadium was not isolated until 1867 by 亨利·恩菲尔德·罗斯科 (1833–1915) through the reduction of vanadium chloride with hydrogen.

结构与基本性质

Vanadium (symbol V, atomic number 23) is a transition metal in group 5 of the periodic table. Its atom has 23 protons, usually 28 neutrons (for the most abundant isotope \(\,^{51}\mathrm{V}\)), and 23 electrons with the electronic configuration [Ar] 3d³ 4s².
At room temperature, vanadium is a silvery-gray solid metal with a bright luster, moderately dense (density ≈ 6.11 g/cm³). It has excellent mechanical strength and remarkable hardness. Pure vanadium resists corrosion well due to the formation of a protective oxide layer on its surface. Melting point of vanadium (liquid state): 2,183 K (1,910 °C). Boiling point of vanadium (gaseous state): 3,680 K (3,407 °C).

钒同位素表

钒同位素(关键物理性质)
同位素 / 符号质子 (Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期/稳定性衰变 / 备注
钒-50 — \(\,^{50}\mathrm{V}\,\)232749.947159 u≈ 0.250%≈ 1.4 × 10¹⁷ 年具有极长半衰期的放射性,通过β⁺衰变转化为\(\,^{50}\mathrm{Ti}\),或通过β⁻衰变转化为\(\,^{50}\mathrm{Cr}\)。被视为准稳定态。
钒-51 — \(\,^{51}\mathrm{V}\,\)232850.943960 u≈ 99.750%稳定的钒的主要同位素;具有用于核磁共振的核磁矩。
钒-48 — \(\,^{48}\mathrm{V}\,\)232547.952254 u合成≈ 15.97 天放射性,电子捕获生成\(\,^{48}\mathrm{Ti}\)。用于医学研究和成像。
钒-49 — \(\,^{49}\mathrm{V}\,\)232648.948516 u合成约330天放射性,电子捕获生成\(\,^{49}\mathrm{Ti}\)。在材料科学中用作示踪剂。

钒的电子构型与电子层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

钒有23个电子分布在四个电子壳层中。其完整电子排布为:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d³ 4s², 或简写为:[Ar] 3d³ 4s²。该排布也可写作:K(2) L(8) M(11) N(2)。

壳层的详细结构

K层(n=1): contains 2 electrons in the 1s subshell. This inner shell is complete and very stable.
L壳层(n=2): contains 8 electrons distributed as 2s² 2p⁶. This shell is also complete, forming a noble gas configuration (neon).
M壳层 (n=3): contains 11 electrons distributed as 3s² 3p⁶ 3d³. The 3s and 3p orbitals are complete, while the 3d orbitals contain only 3 out of 10 possible electrons.
N壳层(n=4): contains 2 electrons in the 4s subshell. These electrons are the first to be involved in chemical bonding.

价电子与氧化态

The 5 electrons in the outer shells (3d³ 4s²) are the 价电子 of vanadium. This configuration explains its particularly rich chemistry:
By losing the 2 4s electrons, vanadium forms the V²⁺ ion (oxidation state +2), producing purple compounds.
By losing the 2 4s electrons and 1 3d electron, it forms the V³⁺ ion (oxidation state +3), producing green solutions.
By losing 4 electrons, it forms the V⁴⁺ ion (oxidation state +4), producing blue compounds.
By losing all its valence electrons (4s² 3d³), it forms the V⁵⁺ ion (oxidation state +5), the most stable state, producing yellow compounds.

钒的电子构型具有部分填充的3d轨道,使其具备过渡金属的特征性质:能形成多种颜色的化合物、具有显著的催化活性,并可以多种氧化态形式存在。这种化学多样性使钒在催化和电化学应用领域尤为引人关注。

化学反应活性

纯钒在室温下相对稳定,因其表面有一层保护性氧化膜。在高温下,它会与氧、氮、碳、硫和卤素发生反应。 钒具有极其丰富的化学性质,存在五种稳定的氧化态(从+2到+5),每种氧化态在水溶液中都呈现独特的颜色。 五氧化二钒(V₂O₅)是最重要的工业化合物,主要用作生产硫酸的催化剂。 钒耐海水、盐溶液和稀酸腐蚀,但可被氢氟酸、浓硝酸和热碱液侵蚀。

钒的工业与技术应用

在天体物理学和宇宙学中的作用

钒主要在大质量恒星的核聚变晚期阶段产生,尤其是在超新星爆发前的硅燃烧过程中合成。 它也会通过快速中子捕获过程(r-过程)在超新星爆发期间生成。 恒星和陨石中钒的丰度为研究银河系核合成历史及宇宙化学演化提供了宝贵信息。

钒(V I, V II)的光谱线可在恒星光谱中观测到,从而帮助测定恒星的化学成分、温度及表面重力。在类太阳恒星中,钒在其演化过程中逐渐生成。研究古老恒星中钒/铁的比例,有助于天体物理学家理解银河系早期化学增丰过程,并重建历代恒星演化的历史。钒还可用于表征褐矮星及气态巨系外行星——在高温大气中,钒能以气态形式存在。

注意::
Vanadium is relatively abundant in the Earth's crust (about 0.019% by mass), ranking it as the 第20位最丰富的元素. It never exists in its native state but is found combined in more than 65 different minerals, including vanadinite [Pb₅(VO₄)₃Cl], patronite (VS₄), and carnotite [K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O]. The main industrial source of vanadium comes from titaniferous magnetite slag and petroleum refining residues. China, Russia, and South Africa are the world's leading producers. Vanadium is considered a strategic metal due to its growing importance in energy storage technologies and high-performance steel metallurgy.

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素