H228 : Matière solide inflammable H315 : Provoque une irritation cutanée H319 : Provoque une sévère irritation des yeux H335 : Peut irriter les voies respiratoires P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P241 : Utiliser du matériel électrique/de ventilation/d’éclairage/…/antidéflagrant. P302 : En cas de contact avec la peau : P305 : En cas de contact avec les yeux : P338 : Enlever les lentilles de contact si la victime en porte et si elles peuvent être facilement enlevées. Continuer à rincer. P351 : Rincer avec précaution à l’eau pendant plusieurs minutes. P352 : Laver abondamment à l’eau et au savon. P405 : Garder sous clef. P501 : Éliminer le contenu/récipient dans …
Le vanadium possède 26isotopes connus de nombre de masse variant entre 40 et 65, et cinqisomères nucléaires. Les deux seulsisotopes naturels sont le51V, qui est stable et représente 99,75 % du vanadium existant sur Terre, et leradioisotope50V 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[5]. De ce fait, le vanadium est unélément monoisotopique, mais pas unélément mononucléidique. Sa masse atomique standard est de 50,941 5(1) u, très proche de la masse isotopique de51V.
Deux lingots de vanadium, à cristaux macroscopiques.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).
Les états d'oxydation communs du vanadium sont +2, +3, +4 et +5. Une expérience consistant à réduire du vanadate d'ammonium par duzinc métallique permet de démontrer parcalorimétrie les quatre états d'oxydation du vanadium. Un état d'oxydation +1 existe aussi, mais il est plus rare.
En1830, le SuédoisNils Gabriel Sefström redécouvre de façon certaine le vanadium en travaillant sur des minerais de fer[5]. Le nom qu'il donne alors à l'élément vient deVanadis, « Dís desVanir », autre nom deFreyja, déesse scandinave de la beauté[5]. Plus tard la même année,Friedrich Wöhler confirma les travaux de Del Rio[9].
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 deslames 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 récemment, à la suite d'études métallurgiques et de travaux de forge poussés[11].
Environ 80 % du vanadium produit est utilisé dans le ferro-vanadium et commeadditif dans certains aciers, tels que lesaciers inoxydables (ex : acier chirurgical). Mélangé à l'aluminium et autitane on l'utilise aussi dans la fabrication des moteurs de jet et de dispositifs médicaux (ex : implants orthopédiques).
Le vanadate de bismuth peut être utilisé pour la synthèse électrocatalytique de peroxyde d'hydrogène[19], tandis que l'oxyde de vanadium pour le dégagement électrolytique d'hydrogène à partir d'électrolytes contenant un halogène[20].
Le vanadium a été très étudié durant une trentaine d'années et particulièrement dans les années 1990 dans l'espoir de l'utiliser contre lediabète car le vanadate et le vanadyle de vanadium montraient des propriétés insulino-sensibilisantes supérieures à celles des sulfonyl-urées et de lametformine, 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)[21].
Selon une revue d'étude récemment publiée (2016), cette piste de recherche est maintenant abandonnée, et n'est plus qu'une« curiosité scientifique » pour l'histoire des sciences et celle de la médecine[21].
Presque toutes les études sur sa possiblecancérogénicité (faites dans les années 1980-1990 sur différents types de cellules) ont conclu que les sels de vanadium sont descancérigènes potentiels[22],[23],[24],[25],[26]. Il présente aussi des effetsmutagène 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 enchimiothérapie. La toxicité cellulaire et les actions biochimiques de certains sels de vanadium en ont fait des candidats médicaments pour laprévention du développement de certaines tumeurs et/ou cancers (car en laboratoire ils ont pu limiter le phénomène decarcinogenèse induite par des produits chimiques cancérigènes sur les animaux). Ces composés semblent agir en modifiant l'activité de diversesenzymesxénobiotiques en inhibant certainsmétabolites actifs dérivés de composés carcinogènes. Plus précisément ces composés inhiberaient lesTyrosine 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« suppresseurs de tumeurs »[27]. Certains composés du vanadium stoppent aussi le cycle cellulaire et/ou la cytotoxicité par clivage et fragmentation de l'ADN etlipoperoxydation de lamembrane plasmique[27]. 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 médicamentsantinéoplasiques. Dans unechimiothérapie, il se montre moins toxique que d'autres métaux ou agent antitumoraux organiques[27].
À faible dose, le vanadium est unoligoélément et un composant essentiel de certainesenzymes.
Son rôle d'oligoélément a été démontré chez lesrats et lespoulets 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[27], mais en 2017 son rôle d'oligoélément semble faire consensus pour l'Homme également. Récemment Panchal & al. ont estimé qu'il était utile, avec un cocktail d'autres éléments (à très faibles doses) pour éviter lesyndrome métabolique[28].
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 duGolfe du Saint-Laurent et 1,19 μg/L en Atlantique Nord ou de 1,2 à 1,8 μg/L enmer des Sargasses, 1,53 à 2,03 μg/L dans le Pacifique. Il a rarement été mesuré sur la frangelittorale, mais quelques études ont trouvé des taux variant de 0,61 μg.l−1 à 7,1 μg.l−1 sur le littoral de laMer Noire[29].
Dans l'air ou dans l'eau, il provient essentiellement des émissionsvolcaniques, 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 (ex. : 317 t/an apporté par laSeine enBaie de Seine). Dans le monde, les fleuves en introduiraient ainsi 312 000 t/an dans l'océan[29].
Lapollution des sols etde l'eau est aussi localement en grande partie anthropique ; c'est le cas dans certaines régions industrielles,minières oupétrolifères du monde. Là une grande partie du vanadium trouvé dans l'eau et les écosystèmes provient des hydrocarbures. Lescokes de pétrole qui ont concentré le vanadium lors duraffinage en libèrent dans l'eau (parlixiviation) à des taux écotoxicologiquement préocupants[30] (seuil de toxicité environnementale atteinte). C'est le cas dans les régions d'exploitation dessables bitumineux, notamment dans la région de l'Athabasca (Alberta, Canada) qui contiennent des quantités significaties de vanadium. Dans cette région ont récemment (2017) étudiés lephytoplancton et lezooplancton ; Schiffer & Liber ont montré que le vanadium dans les eaux de surface a atteint les seuils de toxicité pour lephytoplancton et plus encore lezooplancton (qui y est plus sensible)[30]. Or ces deux catégories d'organismes forment la base de la chaine alimentaire des milieux aquatiques et duréseau trophique.
En2018 en France le « Voletpérinatal » duprogramme national debiosurveillance a publié une évaluation de l'imprégnation des femmes enceintes pour le vanadium (et 12 autres métaux ou métalloïdes ainsi que quelques polluants organiques)[31]. Ledosage urinaire du vanadium a été fait dans les urines de 990 femmes enceintes au moment de leur arrivée à la maternité. Elles faisaient toutes partie de la « Cohorte Elfe », un panel ne comprenant que des femmes ayant accouché en France en2011 horsCorse etTOM[31]. 96 % de ces 990 femmes présentaient une quantité détectable de vanadium dans leurs urines ; et la concentration urinaire moyenne (moyenne géométrique) de vanadium était : 0,28 μg/L (0,38 μg/g de créatinine)[31]. Peu d'autres références scientifiques permettent des comparaisons, mais les auteurs notent que ces taux sont plus bas que ceux déjà observés en France au sein de la population générale mais dépassent ceux observés en Belgique[31].
Des effetstoxiques etécotoxiques ont été constatés chez diverses espèces animales et végétales notamment parce que le vanadium peut inhiber certaines réactions enzymatiques et perturber le système endocrinien des mammifères. Nombre de ses composés ont aussi des effets toxiques (notamment étudiés et démontrés chez le rat de laboratoire[32]).
Sa toxicité aiguë pour l'homme semble modérée[33], mais il peut avoir des effets néfastes et mortels à haute-dose et des effets secondaires reprotoxiques et génotoxiques préoccupants.
L'exposition aux composés du vanadium chez les humains (comme chez l'animal) montre des effets variables selon lecomposé et selon la dose, la voie et à la durée d'exposition. Les formes les plus toxiques du vanadium (en toxicité aiguë) sont le vanadium(V) et ses composés, plus toxiques que le vanadium(IV)[34]. De plus lesoxydes de vanadium sont également plus toxiques que les sels de vanadium[34]. La toxicité de court, moyen et long terme des composés de vanadium varie aussi selon le taux d'accumulation du métal dans certains organes et tissus de l'organisme exposé[35] (qui varie avec l'âge).
Toxicité cellulaire : Selon Evangelou (2002), une majorité des cascades d'événements induits dans la cellule par le vanadium sont liées aux espèces réactives de l'oxygène générées par des réactions detype Fenton et/ou surtout par leNADPH au moment de la réduction intracellulaire de V(V) en V(IV)[27].
Des sels de vanadium ont beaucoup été testés dans lesannées 1990 avec l'espoir (déçu depuis) qu'il fasse un bon médicament chez l'homme contre lediabète sucré et certainescoronaropathies. Ces tests ont néanmoins permis d'en savoir plus sur sa toxicité et celle de ses composés (pour l'Homme et l'animal de laboratoire). Les effets toxiques directs ou secondaire décrits dans ce cadre étaient notamment :
un léger dérèglement gastro-intestinal[39],[40],[41] durant au plus 4 semaines après l'exposition brève, c'est l'un des premiers symptômes les plus courants.
Uneanorexie avec perte de poids et douleurs abdominales apparue après une exposition plus longue (ex : 125 mg/jour de sel de vanadium durant 5 mois induisait ces effets chez près de la moitié des patients traités pour coronaropathie[42]. Selon Fawcett et al. par voie orale le sulfate de vanadyle ne semble pas avoir d'effets chez l'Homme sur les cellules sanguines, la viscosité et la biochimie du sang[41].
Des études sur desanimaux de laboratoire ont mis en évidence d'autres effets toxiques. Une exposition aiguë ou longue induit un affaiblissement avec perte d'appétit et de poids, déshydratation. Puis des hémorragies nasales et/ou pulmonaires sont constatées, avec nécrose des tissus lymphoïdes, et nécrose tubulaire rénale conduisant à la mort (symptômes déduits d'administrations sous-cutanées ou intrapéritonéales de composés de vanadium à des animaux de laboratoire)[43],[44].
Perturbations fonctionnelles dufoie et desreins (l'un des effets les plus fréquents).
Altérations histopathologiques du foie, de la rate et des reins, dose-dépendants ; par voie orale une exposition auNaVO3) (5 à 10 μM dans l'eau potable) durant 3 mois cause des lésions histopathologiques légères et dose-dépendantes dans les reins et la rate. Dans le même temps on mesure un taux anormalement élevé d'urée et d'acide urique chez les animaux les plus exposés[45].
Aneuploïdie dans lamoelle osseuse (chez lasouris de laboratoire traitée par du sulfate de vanadyle, de l'orthovanadate de sodium et du sulfate d'ammonium[46]. L'orthovanadate (en injection intrapérinéale de 10 mg/kg/jour durant 8 jours chez des rats) ont induit unenéphrotoxicité dont la gravité variait selon l'âge de l'animal traités[46].
Inhibitions significatives de l'activité générale et de l'apprentissage (chez le rat de laboratoire exposé 8 semaines par voie orale à 4,1 et 16,4 mg/kg/jour de vanadium[47].
Reprotoxicité (et trouble du développement) (diminution du nombre de nouveau-nés viables et trouble dudéveloppement fœtal, observée chez les rats et des souris de laboratoire pour divers composés du vanadium[48],[38]. D'autres études sur des rats sains et diabétiques n'ont pas observé d'effets significatifs sur le sang[49], la fonction hépatique et rénale ni d'anomalies morphologiques spécifiques dans divers organes[50] (par exemple après exposition durat Wistarper os de sulfate de vanadyle et de complexe V(III)-cystéine[51].De plus, l'administration orale à long terme (entre 4 et 6 mois) de vanadium (III et IV) à des doses V quotidiennes de 0,5 mg / kg / jour, induite par aucun effet toxique chez des rats porteurs de tumeurs[pas clair][52],[53].
Génotoxicité. Elle a été observée dans les cellules de foie, rate, cœur et moelle osseuse (chez des souris mâles traitées par 5,75 et 23,0 μg/g en injections intrapéritonéales depentoxyde de vanadium (V2O5)[54].
Unephytotoxicité a été démontréin vitro dès quelques mg/L chez desalgues d'eau douce cultivées en laboratoire[55],[30], et chez le zooplancton (qui s'y montre plus vulnérable que le phytoplancton[30]). La mort des microcrustacés se fait sans toxicité sublétale apparente, ce qui plaide pour une mort par déséquilibre ionique qui survient brutalement au-dessus d'un certain seuil[30].
Chez l'animal, les études ont principalement porté sur les effets de l'exposition de rats etsouris de laboratoire à divers composés du vanadium. Par exemple la dose létale sur 9 jours pour la moule a été évaluée à 65 mg/litre[29], cependant d'autres organismes marins supportent le vanadium et le concentrent (lesTunicata (Urochordés) ont une concentration interne de vanadium jusqu'à un million de fois supérieure à celle de l'eau où ils vivent), mais souvent en l'« inertant » (seule une faible partie est assimilée, le reste étant fixé oumétabolisé et excrété).À titre d'exemple, en Suède,23 bovins (dans un troupeau de 98) sont morts en10 jours par intoxication aiguë à la suite de l'ingestion d'herbe contaminée par du vanadium provenant d'un épandage delaitier métallurgique[56]).
Comme pour d'autres métaux toxiques, deschélateurs peuvent diminuer la toxicité du vanadium et de ses sels (plus ou moins selon l'espèce chimique en cause[57],[58]) mais avec leseffets secondaires des chélateurs et de lachélation.
Une étude a en2016 montré un effet protecteur d'extraits végétaux deSesamum indicum contre certains effets[59].
EnAlgérie, il est présent à hauteur de 350 000 tonnes/km2 dans certaines roches, soit potentiellement200 milliards de tonnes contenus dans leSahara algérien exploitable[61].
La principale source de vanadium sont les réserves detitanomagnétite. Du vanadium est également extrait de la carnotite. Le minerai de vanadium est rarement exploité seul dans un gisement, se présentant généralement comme un sous-produit de l'extraction d'une autre matière[62].
Après extraction, la titanomagnétite est réduite par du charbon à haute température, donnant desscories contenant la majorité dutitane et de lafonte brute contenant la majeure partie dufer et du vanadium. De l'oxygène est ensuite insufflé à la fonte brute en fusion, résultant sur un autre type de scorie contenant de l'ordre de 12 à 24 % depentoxyde de vanadium (V2O5)[62].
Après extraction, la carnotite est traitée par de l'acide sulfurique à chaud et un oxydant comme lechlorate de sodium pendant 24 heures. Après filtration, lelixiviat, qui contient le vanadium et l'uranium, est placé en contact d'un solvant contenant une amine, de l'isodécanol et du kérosène qui retire l'uranium du lixivat. Le vanadium est ensuite extrait du lixiviat par un solvant adapté, exposé à une solution decarbonate de sodium etprécipité sous forme devanadate d'ammonium par réaction avec dusulfate d'ammonium. Le vanadate est récolté par filtration puis séché etthermolysé en pentoxyde de vanadium[62].
Le pentoxyde de vanadium peut être réduit pour produire du vanadium par réaction avec ducalcium ou de l'aluminium ou utilisé dans la production deferrovanadium (où il sera réduit en vanadium par de l'aluminium, puis dissout dans le fer en fusion)[62].
↑Lors de ses expériences, il découvrit que la couleur brune provenait de traces dechrome, et renomma alors l'élémentpanchromium. Il le rebaptisa encore une fois plus tardérythronium, car la plupart des sels devenaient rouges lorsqu'ils étaient chauffés.
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