Vanadi: nguyên tố mà người tìm ra tự rút lại

Del Río tìm ra vanadi rồi tự rút lại

Năm 1801, Andrés Manuel del Río phân tích một loại quặng chì lấy từ mỏ ở Zimapán. Ông là nhà khoáng vật học người Tây Ban Nha, khi đó đang làm việc ở Mexico. Ông kết luận trong đó có một nguyên tố chưa ai biết, và đặt tên là panchromium. Tiếng Hy Lạp, panchromium nghĩa là "mọi màu sắc", vì các hợp chất của nguyên tố ấy đủ màu.

Rồi người khác thuyết phục ông rằng đó chỉ là crom lẫn tạp chất, và ông tin. Del Río tự rút lại công bố của chính mình.

Gần 30 năm sau, năm 1830, nhà hoá học Thuỵ Điển Nils Gabriel Sefström tìm lại nguyên tố ấy trong quặng sắt. Ông đặt tên là vanadi, theo nữ thần Vanadis, vì các hợp chất của nguyên tố này đẹp lạ thường.

Bốn trạng thái, bốn màu

Nguyên tử vanadi có thể nhường hai, ba, bốn hoặc năm electron. Mức nhường electron ấy gọi là trạng thái oxy hoá, và mỗi trạng thái cho dung dịch một màu riêng: tím hoa cà, lục, lam và vàng. Chỉ cần thả một mẩu kẽm vào dung dịch vanadi màu vàng rồi chờ, màu sẽ đổi dần qua đủ bốn bậc.

Nhờ đổi qua đổi lại được giữa bốn bậc ấy mà vanadi có ích trong nhiều việc, kể cả một loại pin trữ điện cho cả lưới điện. Còn ở dạng kim loại khối, vanadi lại khá lành, vì bề mặt tự phủ một lớp oxit mỏng nên bền với cả axit sulfuric lẫn axit clohydric.

Một chút vanadi làm thép cứng hơn hẳn

Khoảng 80–85% lượng vanadi làm ra đi thẳng vào thép. Liều rất nhỏ, chừng 0,15–0,25% theo khối lượng. Nhưng lượng vanadi đó kết hợp với carbon và nitơ có sẵn trong thép thành vô số hạt cực mịn rải khắp khối. Thép nhờ vậy cứng hơn, dai hơn hẳn.

Henry Ford lấy ý tưởng từ thép vanadi trên các xe đua Pháp thời đó, rồi dùng cho khung gầm Model T. Thép ấy nhẹ hơn mà bền hơn, hợp với một chiếc xe rẻ tiền. Trục trước của Model T được rèn nguyên khối từ thép vanadi. Ford từng cho xoắn thử trục tới 8 vòng rồi mang trưng ở đại lý cho khách xem.

Dấu vết của vanadi còn nằm trong hộp đồ nghề ở rất nhiều nhà. Chữ "Cr-V" hay "chrome vanadium" dập trên thân cờ lê, mỏ lết, tua vít là tên loại thép crom-vanadi dùng để rèn mấy món đó.

Vanadi giúp cả thế giới làm axit sulfuric

Vanadi còn một công dụng nữa, ít ai để ý. Vanadi oxit là một chất xúc tác, nghĩa là chất giúp phản ứng chạy nhanh hơn mà bản thân không mất đi. Cả thế giới làm axit sulfuric bằng quy trình tiếp xúc, và vanadi oxit là chất xúc tác tiêu chuẩn của quy trình đó. Ở khoảng 420–620 °C, chất xúc tác này giúp lưu huỳnh đioxit gắn thêm oxy thành lưu huỳnh trioxit, rồi tự phục hồi để làm tiếp mẻ sau.

Vanadi hầu như không có mỏ riêng. Phần lớn vanadi trên thị trường là sản phẩm phụ khi luyện thép từ một loại quặng chứa cả titan lẫn sắt. Giá vanadi vì thế đi theo giá thép chứ không theo nhu cầu dùng vanadi.

Vanadi có mặt trong khoảng 65 loại khoáng vật, nhưng ở đâu cũng rải quá mỏng để đào riêng thành mỏ. Mỏ vanadi cuối cùng của Mỹ, ở bang Utah, đóng cửa đầu năm 2020. Từ đó nước này chỉ còn thu vanadi từ chất xúc tác đã qua sử dụng, tro và cặn dầu mỏ.

Pin dòng chảy vanadi: cục pin to bằng cái bể nước

Pin thường dùng hai chất khác nhau ở hai cực. Pin dòng chảy vanadi dùng đúng một nguyên tố cho cả hai bên, chỉ khác trạng thái oxy hoá. Hai dung dịch được bơm qua hai mặt của một tấm màng chỉ cho ion đi qua, còn electron phải chạy vòng ngoài qua dây điện.

Cách làm đó có một lợi thế pin thường không có. Muốn trữ nhiều điện hơn thì xây bể to hơn, muốn xả nhanh hơn thì làm màng rộng hơn, hai việc không dính nhau. Pin loại này chịu được khoảng 15.000–20.000 lần sạc xả, tương đương 10–20 năm sử dụng.

Đổi lại thì pin rất cồng kềnh. Mỗi kg pin dòng chảy vanadi chỉ trữ chừng 20 Wh (oát giờ, đơn vị đo lượng điện trữ được), so với 80–200 Wh của pin lithium-ion. Loại pin này vì thế không vào được điện thoại hay xe hơi, mà phải đứng cạnh nhà máy điện.

Nhà máy pin dòng chảy vanadi lớn nhất thế giới hiện nằm ở Tân Cương, Trung Quốc, đặt cạnh một nhà máy điện mặt trời. Công suất 200 MW, trữ được 1.000 MWh. Bốn màu từng khiến Sefström đặt tên nguyên tố theo nữ thần sắc đẹp. Nay bốn bậc ấy giúp một bể dung dịch giữ điện cho cả một vùng.

5 điều cần nhớ về vanadi

1. 1 Del Río tìm ra vanadi năm 1801 rồi tự rút lại; Sefström tìm lại năm 1830.
2. 2 Vanadi có bốn trạng thái oxy hoá cho bốn màu dung dịch khác nhau, và tên nguyên tố đến từ dải màu đó.
3. 3 Thêm 0,15–0,25% vanadi là thép cứng và bền hơn hẳn; khung xe Ford Model T dùng đúng loại thép này.
4. 4 Cờ lê in chữ Cr-V nghĩa là thép crom-vanadi.
5. 5 Pin dòng chảy vanadi dùng chung một nguyên tố cho cả hai cực, và trữ điện cho cả lưới.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Chuyện del Río và Sefström, bốn trạng thái oxy hoá, lớp oxit tự bảo vệ, tỉ lệ vanadi trong thép và trong hợp kim, cùng chuyện khung gầm Model T theo Royal Society of Chemistry và các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Ba nguồn cho ba con số khác nhau về tỉ lệ vanadi dùng cho thép, ở ba phạm vi khác nhau, nên bài dùng khoảng 80–85%. Thông số pin dòng chảy vanadi theo nguồn tổng hợp; nhà máy ở Tân Cương theo Energy Storage News. Vai trò xúc tác của vanadi oxit trong quy trình tiếp xúc và việc vanadi là sản phẩm phụ của luyện thép theo USGS, Mineral Commodity Summaries 2026. Đối chiếu lại lần cuối 11/09/2026.