Vanadium, veraltet auch Vanadin, ist ein chemisches Element mit dem Symbol V und der Ordnungszahl 23. Es ist ein stahlgraues, bläulich schimmerndes, in reinem Zustand sehr weiches Übergangsmetall. Im Periodensystem bildet das Metall zusammen mit den schwereren Niob, Tantal und Dubnium die 5. IUPAC-Gruppe oder Vanadiumgruppe. Der Großteil des Vanadiums wird als sogenanntes Ferrovanadium in der Stahlherstellung eingesetzt. Der Zusatz von Vanadium in Chrom-Vanadium-Stählen führt zu einer Erhöhung der Zähigkeit und damit zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit des Stahls.
Das Element besitzt verschiedene biologische Bedeutungen und ist für viele Lebewesen essentiell. So spielt es eine Rolle bei der Steuerung von Enzymen der Phosphorylierung und wird von Bakterien zur Stickstofffixierung genutzt. Andererseits stehen es oder seine Verbindungen in Verdacht, als mutagenes Klastogen Chromosomenaberrationen hervorzurufen und somit als Gift und Karzinogen zu wirken.Juan J. Rodríguez-Mercado, Rodrigo A. Mateos-Nava, Mario A. Altamirano-Lozano: DNA damage induction in human cells exposed to vanadium oxides in vitro. In: Toxicology in Vitro. 25, Nr. 8, 2011, S. 1996–2002, doi:10.1016/j.tiv.2011.07.009.
Die bekannteste Verbindung des Vanadiums ist Vanadium(V)-oxid, das als Katalysator für die Produktion von Schwefelsäure eingesetzt wird.
Geschichte
mini|links|Andrés Manuel del Río Zum ersten Mal wurde das spätere Vanadium 1801 vom spanischen Mineralogen Andrés Manuel del Río in einem mexikanischen Bleierz, das in einer Grube bei Zimapán in Hidalgo, entdeckt. Beim plomo pardo („braunes Blei“) genannten Erz handelte es sich um Vanadinit (Pb5Cl(VO4)3). Er nannte das neue Element zunächst wegen der Vielfarbigkeit der Verbindungen Panchromium, später Erythronium, da sich die Salze beim Ansäuern rot färbten. Alexander von Humboldt brachte einige Proben des Minerals von Mexiko nach Paris, wo Hyppolyte-Victor Collet-Descotils sie 1805 untersuchte. Nach dessen Untersuchung enthielt das Mineral kein neues Element, sondern Chrom, was auch der Erwartung von Humboldt entsprach.H.-V. Collet-Descotils: Analyse de la mine brune de plomb de Zimapan, dans le royaume du Mexique, envoyée par M. Humboldt, et dans laquelle M. Del Rio dit avoir découvert un nouveau métal. In: Annales de chimie. Band 53, 1805, S. 268-271 (). Dem beugte sich del Rio und zog seine Entdeckung zurück.Andrés Manuel del Río: Ein Paar Anmerkungen zu dem Handbuche der Mineralogie von Hoffmann, fortgesetzt von Breithaupt. In: Annalen der Physik. Band 71, 1822, S. 7-12 (). Gründe für die falsche Schlussfolgerung Collet-Descotils könnte neben den ähnlichen Farben vieler Chromate und Vanadate auch die Erwartungshaltung Humboldts gewesen sein.
Die Wiederentdeckung des Elementes gelang 1830 dem schwedischen Chemiker Nils Gabriel Sefström. Er untersuchte Eisen aus der schwedischen Eisenerzgrube Taberg, indem er dieses in Salzsäure löste. Dabei entdeckte er neben anderen bekannten Stoffen ein unbekanntes Element, das in manchen Eigenschaften dem Chrom, in anderen dem Uran ähnelte, aber nach weiteren Untersuchungen keines dieser Elemente war. Das neue Element benannte er nach Vanadis, einem Beinamen der nordischen Gottheit Freyja. Kurze Zeit später erbrachte Friedrich Wöhler, der sich bei Jöns Jakob Berzelius bereits mit der Aufgabe beschäftigt hatte, den Identitätsnachweis von Vanadium mit Erythronium.N. G. Sefström: Ueber das Vanadin, ein neues Metall, gefunden im Stangeneisen von Eckersholm, einer Eisenhütte, die ihr Erz von Taberg in Småland bezieht. In: Annalen der Physik und Chemie. 97 (1), 1831, S. 43–49.
Als erster versuchte Berzelius, metallisches Vanadium durch Reaktion von Vanadiumoxychlorid mit Ammoniak darzustellen, erhielt jedoch wahrscheinlich Vanadiumnitrid.J. W. Marden, M. N. Rich: Vanadium. In: Industrial & Engineering Chemistry. Band 19, Nr. 7, 1927, S. 786–788, . Schließlich stellte 1867 Henry Enfield Roscoe metallisches Vanadium durch Reduktion von Vanadium(II)-chlorid mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen her. Die wesentliche Herausforderung war, dass die Reaktion unter Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit ablaufen muss, da sonst das Vanadium mit diesem reagiert. Für seine Entdeckung erhielt Roscoe die Bakerian Lecture 1869.Henry E. Roscoe: Untersuchungen über Vanadium. In: Journal für Praktische Chemie. Band 108, Nr. 1, 1869, S. 303-310, . 99,7 % reines Vanadium konnten 1927 John Wesley Marden und Malcolm Rich durch Reduktion von Vanadium(V)-oxid mit Calcium gewinnen.Vanadium. In: Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica Online, aufgerufen am 6. Oktober 2008 (online)
Ab 1870 wurden Vanadiumverbindungen in größeren Mengen, zunächst aus Uranerzrückständen und kupferhaltigem Sandstein, ab 1882 aus Thomasschlacke hergestellt. Es handelte sich um Ammoniumvanadat, das für die Darstellung von Anilinschwarz genutzt wurde.O. Smetana: Ferrovanadium. In: R. Durrer, G. Volkert: Die Metallurgie der Ferrolegierungen. Springer, 1953, ISBN 978-3-662-00208-7, S. 333–335.Vanadium . In: Otto Lueger: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 8 Stuttgart, Leipzig 1910, S. 744 (). Ab 1900 entwickelte sich die breite Anwendung von Vanadium in der Metallurgie. Es wurde erkannt, dass Vanadium die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl verbessert und Hans Goldschmidt entwickelte ein Verfahren zur aluminothermischen Herstellung von Ferrovanadium. Als Henry Ford ab 1905 begann, Vanadiumstähle für den Bau von Automobilen einzusetzenGünter Bauer u. a.: Vanadium and Vanadium Compounds. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2000, ., wurde größere Mengen des Elementes benötigt. Dies wurde gelöst, als ebenfalls 1905 die große Patrónit-Lagerstätte Minas Ragra in Peru entdeckt wurde, die lange Zeit die wichtigste Quelle für Vanadium wurde.
1904 wurde erkannt, dass Vanadat das Wachstum von Hefen hemmt, 1911 entdeckte Martin Henze den hohen Vanadiumgehalt im Blut von Seescheiden. Genauer erforscht wurde die Biochemie des Vanadiums aber erst ab 1977, als Lewis C. Cantley erkannte, dass Vanadium die Natrium-Kalium-ATPase hemmt.L.C. Cantley Jr, L. Josephson, R. Warner, M. Yanagisawa, C. Lechene, G. Guidotti: Vanadate is a potent (Na,K)-ATPase inhibitor found in ATP derived from muscle. In: Journal of Biological Chemistry. Band 252, Nr. 21, 1977, S. 7421-7423, .Dieter Rehder: Bioanorganische Chemie des Vanadiums. In: Angewandte Chemie. Band 103, 1991, S. 152–172, .
Vorkommen mini|links|Carnotit (gelb) Vanadium ist auf der Erde ein relativ häufiges Element, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 120 ppm. Es ist ein leicht inkompatibles, refraktäres und lithophiles Element. Es wird aber angenommen, dass bei den Bedingungen der Entstehung der Erde, als ein tiefer Magmaozean mit hohem Druck und geringer Sauerstofffugazität vorherrschte, das Element auch leicht siderophile (eisenliebende) Eigenschaften zeigte, so dass ein Teil des Vanadiums in den Erdkern abgesunken ist.Jen-How Huang, Fang Huang, Les Evans, Susan Glasauer: Vanadium: Global (bio)geochemistry. In: Chemical Geology. Band 417, 2015, S. 68-89, .Ute Mann, Daniel J. Frost, David C. Rubie: Evidence for high-pressure core-mantle differentiation from the metal–silicate partitioning of lithophile and weakly-siderophile elements. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 73, Nr. 24, 2009, S. 7360-7386, . Dieser weist nach Schätzungen einen Vanadiumgehalt von 135 ppm auf und über 40 % des auf der Erde vorhandenen Vanadiums befinden sich wahrscheinlich im Erdkern.Rebecca A. Fischer, William F. McDonough: Earth's core composition and core formation. In: Ariel Anbar, Dominique Weis (Hrsg.): Treatise on Geochemistry. 3. Auflage, Elsevier, 2025, ISBN 978-0-323-99763-8, S. 27, 31.
Durch die verschiedenen Oxidationsstufen, in denen Vanadium vorkommen kann, ist die Bildung von vanadiumhaltigen Mineralen und Gesteinen aus Magmaschmelzen komplex und wird stark vor allem von der Sauerstofffugazität bestimmt. In Gesteine wird das Element vor allem als dreiwertiges Ion eingebaut, indem es Eisen ersetzt. Dabei enthalten Basalt und Gabbro hohe Vanadiumkonzentrationen von 200 bis 300 mg·kg−1, während der Gehalt in Granit mit 5 bis 80 mg·kg−1 niedriger ist. Ein besonders vanadiumreiches primäres Mineral ist Titanomagnetit.C. Brough, R. Bowell, J. Larkin: The Geology of Vanadium Deposits. In: Robert Bowell (Hrsg.): An Introduction to Vanadium: Chemistry, Occurrence and Applications. Nova Science Publishers, 2019, ISBN 978-1-53616-119-9.
Durch Verwitterung und Oxidation kann Vanadium aus dem Gestein gelöst werden und sekundäre Minerale gebildet werden. Je nach pH-Wert und Verfügbarkeit von Sauerstoff werden dabei vierwertige oder fünfwertige Vanadiumverbindungen gebildet. Unter neutralen Bedingungen und wenig Sauerstoff entstehen Minerale wie Duttonit (V4+O(OH)2) oder Simplotit (CaV4+4O9 · 5 H2O), unter stark sauren und oxidativen Bedingungen Vanadate wie Carnotit (K2[UO2|VO4]2 · 3 H2O) oder Hewettit (CaV6O16 · 9 H2O). Zudem kann das hydrothermal gelöste Vanadium in andere Minerale eingebaut werden, vor allem in Tonminerale, in denen das VO2+-Ion Aluminium ersetzt und Mangan-Eisen-Oxide wie Goethit, in denen es Eisen ersetzt.
mini|Vanadinit Vanadium bildet eine Vielzahl von Mineralen vorwiegend mit Sauerstoff in Form von Oxiden und Vanadaten. Zudem sind einige Sulfide wie Colusit (Cu13VAs3S16) und Patrónit (VS4), das Nitrid Uakitit (VN), das Hydrid Kishonit (VH2) sowie gediegenes Vanadium bekannt. Überwiegend kommt das Element als drei-, vier- oder fünfwertiges Ion vor, einige wenige zweiwertige Vanadium-Minerale wie Kishonit oder der Spinell Dellagiustait (V2+Al2O4)Fernando Cámara, Luca Bindi, Adriana Pagano, Renato Pagano, Sarah E. M. Gain, William L. Griffin: Dellagiustaite: A Novel Natural Spinel Containing V2+. In: Minerals. Band 9, Nr. 1, 2019, Artikel 4, . sind ebenfalls bekannt. Insgesamt sind (Stand September 2026) 289 vanadiumhaltige Minerale von der International Mineralogical Association anerkannt. Die am häufigsten vorkommenden Minerale sind dabei vor allem Vanadate wie Carnotit, Vanadinit (Pb5(VO4)3Cl), Tyuyamunit (Ca(UO2)2(VO4)2 · 5-8 H2O), Descloizit (PbZn(VO4)(OH)) und Mottramit (PbCu(VO4)(OH)), aber auch Roscoelith (KV3+2(AlSi3O10)(OH)2) und Montroseit ([V3+,Fe3+]O(OH)). Fundorte mit den meisten bekannten verschiedenen Vanadiummineralen liegen in Minen in den US-amerikanischen Bundesstaaten Utah, Colorado und Arizona sowie der Metropolitanstadt Genua in Italien.The mineralogy of Vanadium. In: mindat.org, Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 4. September 2026.
mini|Schematischer Vanadium-Zyklus Durch die Verwitterung gelang das gut lösliche Vanadium in die Gewässer. Dort durchläuft das Element einen komplexen biogeochemischen Zyklus, in dem es abhängig von pH-Wert, Oberflächen der Umgebung, Konzentration, Redoxpotential und Biologie in verschiedenen Formen vorliegt. Große Mengen Vanadium gelangen in die Ozeane, dort ist es mit Gehalten von 35–45 nmol·l−1 (1,8-2,2 μg·l−1) das zweithäufigste Übergangsmetall nach Molybdän. Die wichtigste Senke für Vanadium sind marine Sedimente, in denen das Metall am Meeresboden gebunden wird. Zudem wird es an Eisenoxid-Niederschläge aus RauchernJohn H. Trefry, Simone Metz: Role of hydrothermal precipitates in the geochemical cycling of vanadium. In: Nature. Band 342, 1989, S. 531–533, . sowie in geringerem Ausmaß an organische Materie gebunden. Auch in die Atmosphäre gelangt Vanadium als Aerosol. Quellen sind die Erosion durch Wind, Emissionen von Vulkanen, Waldbrände und Meersalz-Aerosole. Entfernt wird das Element vorwiegend über den Regen.William H. Schlesinger, Emily M. Klein, Avner Vengosh: Global biogeochemical cycle of vanadium. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 114, Nr. 52, 2017, S. E11092–E11100, .