Le vanadium est l'élément chimique de numéro atomique 23, de symbole V.
L'élément est rare, mais on le trouve dans certains minerais. Le corps simple est un métal, dur et ductile à l'état solide. Il est principalement utilisé dans les alliages.
Isotopes
Le vanadium possède 26 isotopes connus de nombre de masse variant entre 40 et 65, et cinq isomères nucléaires. Les deux seuls isotopes naturels sont le 51V, qui est stable et représente 99,75 % du vanadium existant sur Terre, et le radioisotope 50V qui a une demi-vie particulièrement longue de 1,4×1017 années (10 millions de fois l'âge de l'univers) pour les 0,25 % restant (consulté le 1 janvier 2024). De ce fait, le vanadium est un élément monoisotopique, mais pas un élément mononucléidique. Sa masse atomique standard est de , très proche de la masse isotopique de 51V.
Caractéristiques vignette|gauche|Deux lingots de vanadium, à cristaux macroscopiques. vignette|Les différents états d'oxydation du vanadium. De gauche à droite : [V(H2O)6]2+ (violet), [V(H2O)6]3+ (vert), [VO(H2O)5]2+ (bleu) et [VO(H2O)5]3+ (jaune).
Le vanadium est un métal blanc, brillant, dur et ductile. Il possède une bonne résistance aux acides chlorhydrique et sulfurique et à la corrosion par les composés alcalins. Il s'oxyde rapidement à environ . Le vanadium possède une bonne force structurelle ainsi qu'une faible section efficace d'interaction avec les neutrons de fission, ce qui le rend utile dans les applications nucléaires. C'est un métal qui présente à la fois des caractéristiques acide et basique.
Les états d'oxydation communs du vanadium sont +2, +3, +4 et +5. Une expérience consistant à réduire du vanadate d'ammonium par du zinc métallique permet de démontrer par calorimétrie les quatre états d'oxydation du vanadium. Un état d'oxydation +1 existe aussi mais il est plus rare.
Histoire La première découverte de l'élément a lieu à Mexico en 1801 par Andrés Manuel del Río, un minéralogiste hispano-mexicain travaillant sur un minéral qu'il baptisa « plomb brun » (maintenant appelé vanadinite)Lors de ses expériences, il découvrit que la couleur brune provenait de traces de chrome, et renomma alors l'élément panchromium. Il le rebaptisa encore une fois plus tard érythronium, car la plupart des sels devenaient rouges lorsqu'ils étaient chauffés.. Cependant, des doutes subsistent, et del Rio se range finalement aux avis du chimiste français Hippolyte-Victor Collet-Descotils et du baron Alexander von Humboldt en déclarant que le nouvel élément n'est en réalité que du chrome impur.
En 1830, le Suédois Nils Gabriel Sefström redécouvre de façon certaine le vanadium en travaillant sur des minerais de fer. Le nom qu'il donne alors à l'élément vient de Vanadis, « Dís des Vanir », autre nom de Freyja, déesse scandinave de la beauté. Plus tard la même année, Friedrich Wöhler confirma les travaux de Del Rio.
Le vanadium métallique fut isolé par Henry Enfield Roscoe en 1867. Celui-ci réduisit du chlorure de vanadium (VCl3) avec du dihydrogène.
Cependant, l'usage empirique du vanadium en métallurgie est bien plus ancien, puisqu'il remonte au Moyen Âge. Ce métal est en effet nécessaire, sous forme de traces, à l'obtention au sein de l'acier martelé des célèbres motifs qui ont fait la renommée des lames dites « de Damas ». Des concentrations descendant jusqu'à seulement 0,003 pour cent en volume se sont révélées suffisantes pour induire le processus d'agrégation du carbone en feuillets. C'est cette structure en feuillets qui permet d'obtenir lors du forgeage, par enlèvement judicieux de matière, les motifs tels que « roses » et « échelles de Mahomet ». On pense que cet apport fortuit en vanadium provenait des cendres de végétaux utilisés lors du processus de fonte des lingots de fer. La raréfaction des gisements utilisés, ou le changement des méthodes de fonte, conduisirent apparemment, il y a plus de deux siècles, à l'arrêt de cet apport. Sans qu'ils puissent en connaître la cause, les maîtres forgerons ne purent plus induire les motifs de damasquinage dans leurs lames, et le secret involontaire de leur fabrication fut donc perdu. Il ne fut redécouvert que , à la suite d'études métallurgiques et de travaux de forge poussés - J.D. Verhoven, A.H. Pendray, W.E. Dauksch – JOM, 50(9), 1998, page 58-64 (consultable sur : http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9809/Verhoeven-9809.html).
Usages Métallurgie Environ 80 % du vanadium produit est utilisé dans le ferro-vanadium et comme additif dans certains aciers, tels que les aciers inoxydables (ex : acier chirurgical). Mélangé à l'aluminium et au titane on l'utilise aussi dans la fabrication des moteurs de jet et de dispositifs médicaux (ex : implants orthopédiques).
Autres utilisations Le pentoxyde de vanadium () est utilisé dans les céramiques et comme catalyseur ; c'est aussi un des responsables de la corrosion chaude par des gaz (fluxage). Le vanadium est utilisé pour stocker l'énergie électrique dans des batteries à flux, encore peu répandues et en cours de développementAustralian Island Using Flow Batteries To Store Wind Power : MetaEfficient (2007). Des composés de vanadium sont utilisés comme catalyseurs pour la synthèse de l'acide sulfurique, de l'anhydride maléique, de 2,5-diformylfurane, gas de synthèse ou de l'acide acrylique. Le vanadate de bismuth peut être utilisé pour la synthèse électrocatalytique de peroxyde d'hydrogène, tandis que l'oxyde de vanadium pour le dégagement électrolytique d'hydrogène à partir d'électrolytes contenant un halogène. On le trouve dans le pigment bleu vanadium.
Utilisations envisagées par le passé Traitement du diabète Le vanadium a été très étudié durant une trentaine d'années et particulièrement dans les années 1990 dans l'espoir de l'utiliser contre le diabète car le vanadate et le vanadyle de vanadium montraient des propriétés insulino-sensibilisantes supérieures à celles des sulfonyl-urées et de la metformine, avec des effets indésirables alors supposés minimes (aux doses et durées de traitement qui étaient proposées). Cependant les effets positifs constatés lors de traitements courts étaient contrebalancés par la toxicité croissante du vanadium accumulé dans l'organisme en cas de traitement sur le temps long (nécessaire dans le cas du diabète).
Selon une revue d'étude de 2016, cette piste de recherche est maintenant abandonnée, et n'est plus qu'une pour l'histoire des sciences et celle de la médecineDomingo, J. L., & Gómez, M. (2016). Vanadium compounds for the treatment of human diabetes mellitus: A scientific curiosity ? A review of thirty years of research. Food and Chemical Toxicology, 95, 137-141|résumé..
Chimiothérapie Presque toutes les études sur sa possible cancérogénicité (faites dans les années 1980-1990 sur différents types de cellules) ont conclu que les sels de vanadium sont des cancérogènes potentielsSabbioni E, Pozzi G, Devos S, Pintar A, Gasella L & Fischbach M. (1993) The intensity of vanadium (V)-induced cytotoxicity and morphological transformation in BALB/3T3 cells is dependent on glutathione mediated bioreduction to vanadium. Carcinogenesis. ; 14: 2565–2568Marini M, Zunica G, Bagnara G.P & Francheschi C (1987) Effect of vanadate of PHA-induced proliferation on human lymphocytes from young and old subjects. Biochem. Biophys. Res. Commun. ; 142: 836–842Parfett C.L & Pilon R (1995) Oxidative stress-regulated gene expression and promotion of morphological transformation induced in C3H/10T1/2 cells by ammonium metavanadate. Food Chem. Toxicol. ; 33: 301–308Yin X, Davison A.J & Tsang S.S (1992) Vanadate-induced gene expression in mouse C127 cells: role of oxygen derived active species. Mol. Cell Biochem. ; 115: 85–96Stern A, Yin X, Tsang S.S, Davison A & Moon J (1993) Vanadium as a modulator of cellular regulatory cascades and oncogene expression. Biochem. Cell Biol. ; 71: 103–112. Il présente aussi des effets mutagène potentiels au moins en partie induit par l'espèce d'oxygène réactif dérivée du vanadium dans la cellule. Mais d'autres métaux ou métalloïdes cancérigènes sont utilisés en chimiothérapie. La toxicité cellulaire et les actions biochimiques de certains sels de vanadium en ont fait des candidats médicaments pour la prévention du développement de certaines tumeurs et/ou cancers (car en laboratoire ils ont pu limiter le phénomène de carcinogenèse induite par des produits chimiques cancérigènes sur les animaux). Ces composés semblent agir en modifiant l'activité de diverses enzymes xénobiotiques en inhibant certains métabolites actifs dérivés de composés carcinogènes. Plus précisément ces composés inhiberaient les tyrosines-phosphatases dans la cellule et/ou leur activation, ce qui dans les deux cas conduit à activer des voies de transduction du signal se concluant par l'apoptose voire à l'activation de gènes dits . Certains composés du vanadium stoppent aussi le cycle cellulaire et/ou la cytotoxicité par clivage et fragmentation de l'ADN et lipoperoxydation de la membrane plasmique. Une inhibition du potentiel métastatique des cellules cancéreuses pourrait être induit par une modulation par le vanadium de molécules adhésives cellulaires ; il diminuerait aussi la résistance aux médicaments antinéoplasiques. Dans une chimiothérapie, il se montre moins toxique que d'autres métaux ou agent antitumoraux organiquesEvangelou A.M (2002). Vanadium in cancer treatment. Critical reviews in oncology/hematology, 42(3), 249-265..
Biologie et toxicologie Oligo-élément À faible dose, le vanadium est un oligoélément et un composant essentiel de certaines enzymes.
Son rôle d'oligoélément a été démontré chez les rats et les poulets qui en ont besoin d'une quantité infinitésimale pour éviter certaines déficiences dans la croissance et la reproduction. Au début des années 2000, il n'était pas encore démontré chez l'Homme, mais en 2017 son rôle d'oligoélément semble faire consensus pour l'Homme également. Panchal & al. ont estimé qu'il était utile, avec un cocktail d'autres éléments (à très faibles doses) pour éviter le syndrome métaboliquePanchal, S. K., Wanyonyi, S., & Brown, L. (2017). Selenium, vanadium, and chromium as micronutrients to improve metabolic syndrome. Current hypertension reports, 19(3), 10 | résumé..
Présence dans les écosystèmes Le vanadium est très faiblement présent en solution dans l’océan (de 1 à 3 μg/L) ; par exemple 1,22 μg/L en moyenne dans l'eau du fond du Golfe du Saint-Laurent et 1,19 μg/L en Atlantique Nord ou de 1,2 à 1,8 μg/L en mer des Sargasses, 1,53 à 2,03 μg/L dans le Pacifique. Il a rarement été mesuré sur la frange littorale, mais quelques études ont trouvé des taux variant de 0,61 μg.l−1 à 7,1 μg.l−1 sur le littoral de la Mer NoireSurveillance du milieu marin, travaux du Réseau National d'Observation de la Qualité du Milieu Marin Ifremer, Le RNO : programmes actuels - L'argent, le cobalt, le nickel et le vanadium dans les mollusques du littoral français - Les carottes sédimentaires, mémoire de la contamination, Bulletin Ifremer, 2002.
Dans l'air ou dans l'eau, il provient essentiellement des émissions volcaniques, de l'érosion des sols et roches ou de sources anthropiques telles que les effluents des usines produisant l'oxyde de titane qui en contiennent beaucoup ( apporté par la Seine en Baie de Seine). Dans le monde, les fleuves en introduiraient ainsi dans l'océan.
La pollution de l'air par la combustion d'hydrocarbures pétroliers en est une autre source ; le pétrole brut koweïtien ou d’Arabie saoudite en renferme par exemple de 29 à par kg de pétrole, soit un apport de dont 10 à 15 % rejoignent la mer via les pluies). Plus de la moitié (53 %) de tout le vanadium de l'air serait ainsi d'origine anthropique.