Caractéristiques physico-chimiques du vanadium

Le vanadium est un élément chimique de numéro atomique 23. Voici ses propriétés atomiques et physico-chimiques :

• Masse atomique : 50,941 5 ± 0,000 1 u
• Groupe : 5
• Période : 4e période
• Bloc : Bloc d
• Famille d’éléments : métal de transition
• Configuration électronique :3d³ 4s²
• Électrons par niveau d’énergie : 2, 8, 11, 2
• Masse volumique : 6,0 g/cm³ (18,7 °C)
• Point de fusion : 1 910 °C
• Point d’ébullition : 3 407 °C
• Énergie de fusion : 20,9 kJ/mol
• Énergie de vaporisation : 452 kJ/mol
• Conductivité électrique : 4,89×106 S/m
• Conductivité thermique : 30,7 W m^-1 K^-1
• Indices de danger (CLP) : H228 (inflammable), H315 (source d’irritation cutanée), H319 (source de sévère irritation des yeux), H335 (source d’irritation de la voie respiratoire)

Le vanadium est un métal rare de couleur blanc argenté d’oxydation accélérée à environ 660 °C. Les états d’oxydation communs du vanadium sont le monoxyde de vanadium (+2), le trioxyde de vanadium (+3), le dioxyde de vanadium (+4) et le pentoxyde de vanadium (+5). Ces oxydes, reconnus pour leur caractère amphotère, sont respectivement de couleur violet pâle, vert, bleu et incolore.

La différence de couleurs des différents états d’oxydation du vanadium s’explique au fait qu’il appartient aux métaux de transition. Ce sont des éléments chimiques dont les atomes ont une sous-couche électronique d incomplète, ou qui peuvent former des cations dont la sous-couche électronique d est incomplète. Outre des oxydes colorés, le vanadium possède les autres caractéristiques communes à cette famille d’éléments.

• Solide à l’état normal avec une température de fusion élevée (1 910 °C).
• Bon conducteur d’électricité.
• Excellentes propriétés catalytiques à l’état atomique qu’ionique.

Un autre point caractéristique du vanadium est son rôle d’oligoélément. Le vanadium intervient en effet dans de nombreuses réactions enzymatiques, ainsi que la minéralisation des os et des dents et permet d’inhiber la synthèse de cholestérol. Il est notamment présent à très faibles teneurs dans le poivre noir, les champignons, les légumineuses et les fruits de mer.

Une autre spécificité notable du vanadium est son excellente force structurelle. Le vanadium est un métal particulièrement dur. Sa résistance aux rayures est estimée à 7 sur l’échelle de Moh. Sa résistance aux indentations quant à elle s’élève à 650 MPa. En plus de sa dureté, le vanadium est également ductile et malléable de par sa structure cristalline cubique centrée.

Ces nombreuses caractéristiques valent au vanadium le statut d’élément essentiel de par la multiplicité de ses applications possibles.

Construction

La construction constitue un autre domaine où le vanadium est une ressource capitale. Sa dureté et sa résistance à la corrosion et à l’usure en font un additif majeur. Il est utilisé dans les bâtiments à structure d’acier micro-allié. Il sert par exemple, dans la conception des barres d’armatures antisismiques, une application essentielle pour les pays à forte exposition aux séismes.

Une autre utilisation du vanadium est la fabrication de verre opacifiant écoénergétique pour fenêtre. Le vanadium, sous forme de pentoxyde de vanadium, qui est un absorbant des rayons UV, permet d’éviter la perte de chaleur par le blocage de la radiation thermique durant l’hiver et l’infiltration des radiations infrarouges dans le bâtiment.

Chimie

L’application du vanadium dans la chimie est diversifiée, en particulier à l’état d’oxyde. Il sert surtout de catalyseur dans plusieurs industries. Le pentoxyde de vanadium permet de produire notamment de l’acide sulfurique et du formaldéhyde.

Le bleu vanadium, autre nom du pentoxyde de vanadium, est aussi utilisé comme pigment dans l’industrie des peintures et des revêtements pour produire des teintes de bleu clair à bleu profond. En plus de son utilisation dans l’industrie, le bleu vanadium est de même utilisé en chimie analytique comme réactif pour la détermination de la teneur en alcalinité dans les eaux naturelles et les eaux usées. Il est également utilisé dans la recherche scientifique pour étudier les propriétés de la matière à l’échelle atomique et moléculaire.

Le vanadium est utilisé dans les applications nucléaires sous forme composée. Les alliages de vanadium sont par exemple utilisés dans la structure des réacteurs nucléaires. Ils ont l’avantage de présenter une faible absorption des neutrons, un facteur de stress thermique élevé et une résistance aux radiations. Un autre composé, l’hydrure de vanadium, sert également de modérateur à neutrons dans les réacteurs atomiques.

Médecine

Le vanadium connaît des applications en médecine. Ajouté à l’aluminium et au titane, il permet de concevoir les dispositifs médicaux tels que les implants orthopédiques. Outre l’utilité métallique du vanadium, cet élément connaît aussi un intérêt dans le domaine pharmaceutique. Un de ses dérivés, le sulfate de vanadyle par exemple, est utilisé dans la conception de vitamines servant à améliorer le métabolisme du glucose dans le sang. La propriété insulino-sensibilisante des produits thérapeutiques à base de vanadium a supposé une possible utilisation du vanadium dans la cure contre la diabétique. Mais les recherches ont démontré l’impossibilité de la solution à long terme, vu la toxicité du vanadium. Une autre piste de recherche médicale sur le vanadium cible la chimiothérapie, étant donné les effets antitumoraux prometteurs de l’élément et de ses dérivés. Les études ont montré que les composés du vanadium ont des effets préventifs contre la cancérogenèse chimique par la modification des enzymes xénobiotiques. Cette caractéristique permet d’inhiber les métabolites actifs issus des cancérogènes. Les études ont également montré que les effets antitumoraux du vanadium conduisaient à l’activation des gènes suppresseurs de tumeurs par l’inhibition des tyrosines phosphatases cellulaires et l’activation des tyrosines phosphorylases. Le vanadium a aussi des effets inhibiteurs sur le potentiel métastatique des cellules cancéreuses grâce à la modulation des molécules adhésives cellulaires et peut inverser la résistance aux médicaments antitumoraux. Sa toxicité étant notamment plus faible par rapport aux autres métaux ou agents antitumoraux organiques, il pourrait être une solution efficace dans le traitement du cancer.

Production du vanadium

Le vanadium consommé dans les diverses applications citées ci-dessus vient de trois sources. Ce sont les minerais, les autres sources naturelles et les procédés industriels.

Minerais de vanadium

Selon l’Institut de recherche en minéralogie américaine, la réserve mondiale en vanadium est estimée à plus de 63 millions de tonnes. L’élément se rencontre dans la nature sous forme de composés chimiques présents dans plus de 65 espèces de minerais, dont la bauxite, la tanzanite et les matières carbonées comme le charbon.

Les minerais les plus courants dans la métallurgie du vanadium sont les suivants :

• la patronite, la bravoite dans les mines du Pérou, la sulvanite dans des exploitations australiennes et américaines, la davidite en Australie, la cuprodescloizite et la descloizite de Namibie et de Zambie ;
• la carnotite, la roscoélite, extraites des roches gréseuses des plateaux du Colorado (USA), sont des sources moins importantes de vanadium, mais qui permettent de produire conjointement de l’uranium ;
• les roches schisteuses phosphato-vanado-ferreuses sont des sources importantes pour la métallurgie du vanadium et l’obtention du phosphore,
• la magnétite titano-ferreuse ou titanomagnétite présente en Russie, en Chine, mais surtout dans la République sud africaine, devient aussi une source significative de vanadium.

Tous les minerais sont, au préalable, concassés, broyés et tamisés avant d’être engagés dans un procédé d’extraction. Le minerai de vanadium est généralement un sous-produit de l’extraction minière d’une autre matière. La production minière mondiale de vanadium en 2022 était estimée à 100 000 millions de tonnes. Les 4 principaux pays producteurs sont la Chine à 70 000 millions de tonnes, la Russie à 17 000 millions, l’Afrique du Sud à 9 100 millions et le Brésil à 6 200 millions. Les mines américaines, elles, ont été fermées en 2020 suite à la situation sanitaire et n’ont pas encore repris en 2022.

Production industrielle du vanadium

Outre la source naturelle, le vanadium et ses dérivés peuvent être obtenus de la production industrielle. Le vanadium est notamment obtenu comme produit secondaire dans certaines fabrications industrielles. La métallurgie de l’aluminium avec la bauxite comme matière produit notamment du sel de vanadium comme déchet. Il en est de même des raffineries de pétrole dont les résidus renferment jusqu’à 40 % de vanadium. Les suies et les cendres des centrales thermiques contiennent également du vanadium.

Outre les déchets industriels, plusieurs procédés permettent de produire le vanadium. Le vanadium élémentaire est produit par la réduction du chlorure de vanadium par l’hydrogène ou le magnésium. Il est également obtenu par le même processus, mais avec du pentoxyde de vanadium comme matière première et le calcium comme agent réducteur. Cette dernière méthode permet de produire un vanadium pur à 99,5 % à l’échelle commerciale. Ce niveau de pureté peut être augmenté jusqu’à plus de 99,9 % par des méthodes d’affinage (aluminothermie, traitement par iode ou électrotransport) selon la qualité désirée.

Le pentoxyde de vanadium quant à lui peut être obtenu par réduction de titanomagnétite par du charbon à haute température. Le procédé produit des scories contenant en majorité du titane et de la fonte brute avec principalement du fer et du vanadium. De l’oxygène est ensuite insufflé à la fonte brute en fusion pour produire un autre type de scorie contenant jusqu’à 12 à 24 % de pentoxyde de vanadium.

Il peut également être produit de la carnotite (uranium-vanadium) par lavage à l’acide sulfurique. Le procédé consiste à l’extraction au solvant de l’uranium et la réduction à la poudre de fer du vanadium. Le vanadium obtenu est à l’état de sulfate de vanadyle, qui est oxydé par du chlorate de sodium pour être ensuite précipité par sel d’ammonium.

Risques du vanadium sur la santé et sur l’écologie

Comme il a été dit plus haut, le vanadium est un composant essentiel dans certaines activités industrielles. Seulement les composés du vanadium, en particulier le pentoxyde de vanadium, présentent une toxicité pouvant présenter des risques pour l’humanité et l’environnement.

Toxicité du vanadium

Si toute la population mondiale est faiblement exposée au vanadium par sa présence dans l’air, l’eau et les aliments, les personnes travaillant dans les usines de traitement du vanadium sont les plus à risque. Le vanadium est effectivement plus concentré dans les usines de traitement du produit, mais il est également présent dans la fumée des cigarettes, les installations industrielles de combustion de fioul ou de charbon.

Les effets de l’exposition aux composés du vanadium, que ce soit par ingestion, contact cutané ou inhalation, varient selon la dose, la durée et le degré de toxicité de la matière. Certains dérivés du vanadium sont plus toxiques que d’autres, comme les oxydes de vanadium le sont plus que les vanadates. Ils sont classés en trois niveaux de gravité. La forme légère se présente par une rhinite et une irritation de la gorge. Le rhume peut donner suite à un état de faiblesse générale. Des cas de conjonctivite et de diarrhée peuvent de même survenir. La forme modérée inclut la conjonctivite, l’irritation des bronchites avec une difficulté à respirer, ainsi que des vomissements et de la diarrhée. Elle peut également se manifester par des éruptions cutanées. La forme sévère se caractérise par des bronchites et des broncho-pneumonies. Les maux de tête, vomissements et palpitations peuvent aussi s’aggraver. Des désordres du système nerveux comme des états neurotoxiques sévères et des tremblements des mains et des doigts en constituent d’autres symptômes.

Les recherches sur la caractéristique de perturbateur endocrinien du vanadium ont démontré que l’élément peut être mortel à forte dose et présenter des effets secondaires majeurs en termes reproductif et génétique. Les expériences menées sur des animaux de laboratoire ont montré qu’à long terme, une forte exposition au vanadium entraînait un affaiblissement avec anorexie et perte de poids. Ces symptômes s’ensuivent d’hémorragies nasales ou pulmonaires avec une nécrose des tissus lymphoïdes et une nécrose tubulaire rénale, le foie et le poumon étant les organes montrant le plus de concentration de vanadium. Ces pathologies conduisent à la mort. La reprotoxicité, à savoir la diminution du nombre de nouveau-nés viables et la génotoxicité (transformation de l’ADN) ont également été observées chez des rats de laboratoire suite à une exposition continue au vanadium.

Des antidotes et chélateurs existent pour réduire la toxicité du vanadium et ses dérivés, comme les extraits végétaux de sésame. Seulement leur utilisation donne suite à des effets secondaires.

Écotoxicité du vanadium

Le cycle bio-géochimique du vanadium se caractérise par un relargage naturel dans l’atmosphère, l’eau et la terre, et par des sources anthropogéniques. Les sources d’exposition au vanadium dues à des phénomènes naturels semblent conséquentes. Par exemple, dans l’air ou dans l’eau, le vanadium provient principalement des émissions volcaniques, de l’érosion des roches. Mais les sources anthropiques gagnent en importance dans la pollution de l’air, du sol et des eaux avec l’accroissement des activités industrielles relatives au vanadium, notamment dans les régions pétrolières et industrielles.

Les aérosols d’hydrocarbures des usines de chauffage et de raffinement du pétrole produisent notamment pas moins de 100 Gg de vanadium par an. Les usines d’extraction de pétrole produisent au maximum 410 Gg de vanadium par an. Les particules de vanadium présent dans l’atmosphère sont estimées à 150 Gg dont un pourcentage est transformé en eau de pluie pour terminer dans les océans.

Ces quantités présentent un risque pour la faune et la flore, notamment avec la pollution des eaux et des sols. Les seuils de toxicité varient selon les espèces. Chez les animaux marins, la concentration d’effet se situe entre 0,37 et 65 mg/L chez les crustacés et entre 0,16 et 55 mg/L pour les poissons. La phytotoxicité a été avérée dès quelques mg/L chez les algues d’eau douce et les zooplanctons cultivés en laboratoire. Une situation à risque pour la chaîne alimentaire des milieux aquatiques et l’écosystème en entier. Pour les animaux, la dose létale varie également selon l’espèce, mais un cas récent suédois a vu la mort de 23 bovins d’un troupeau de 98 têtes en 10 jours après une intoxication aigüe par ingestion d’herbe contaminée au vanadium, issu d’un épandage de laitier métallurgique. Quant à la pollution des sols au vanadium, elle est plus observée dans les régions exploitant cet élément, notamment aux États-Unis et en Afrique du Sud. Les concentrations varient selon le niveau d’exploitation et la nature du sol, pouvant aller jusqu’à 9 200 mg/kg de sol. En cas de forte concentration, la diffusion de cet élément toxique peut augmenter les risques environnementaux.