バナジウム（V）
バナジウム（V）は第四周期・第5族の遷移金属で、原子番号23をもつ元素である。銀灰色の硬い金属で、薄い不働態皮膜により耐食性を示す。鉄鋼への微量添加で高強度化に寄与し、工具鋼やHSLA鋼の析出強化・結晶粒微細化に有効である。またTi-6Al-4Vなどのチタン合金におけるβ安定化元素として航空宇宙分野で重要性が高い。酸化物V2O5は化学工業で代表的触媒として用いられ、エネルギー分野ではバナジウムレドックスフロー電池（VRFB）の電解質として注目される。
発見と歴史
1801年にメキシコの鉱物から初めて見出されたが、当時は不純物の影響により別元素と誤認された。のちにスウェーデンのニールス・セフストレームが改めてバナジウムを発見し、スカンジナビア神話の女神ヴァンディス（Vanadis）にちなみ命名した。単離に成功したのは19世紀半ばを過ぎてからで、精製の難しさが初期研究を遅らせていたが、徐々に製錬法が確立され実用に供されるようになった。
原子・物性データ
バナジウム（V）は融点が高く、軽量金属ではないが比強度設計に有用な合金を形成する。電子配置は[Ar]3d3 4s2であり、d電子の存在が多彩な酸化状態と化学的振る舞いを与える。
- 原子番号：23、元素記号：V、原子量：約50.9415
- 密度：約6.1 g/cm3、融点：約1910 ℃、沸点：約3407 ℃
- 硬さ：純金属は比較的延性を保つが、炭化物・窒化物形成で高硬度化
- 耐食性：表面の酸化皮膜により耐食性を示す（不働態化）
- 延性：比較的良好で、薄い箔状にも展延できる
化学的性質と酸化状態
酸化状態は+5、+4、+3、+2が安定であり、酸化還元挙動が顕著である。水溶液中では酸化状態により色が変化し、分析化学や電池化学で指標となる。
- +5（バナジン酸塩、VO3−系）：黄色〜橙色、代表酸化物はV2O5（酸性酸化物）
- +4（バナジル種、VO2+）：青色を呈し配位化学で安定
- +3：緑色、還元性を示す
- +2：紫色、強還元性で空気中不安定
資源・製造プロセス
バナジウム（V）はバナジン鉄鉱やチタン磁鉄鉱、石炭・石油残渣中の金属ポルフィリンに伴う。製錬ではバナジウムスラグからの酸浸出・溶媒抽出によりV2O5を得て、アルミノサーマルやカルシウム還元で金属Vを製造する。鉄鋼との親和性が高く、フェロバナジウム（Fe-V）として添加されることが多い。
鉄鋼における役割（微量添加での高強度化）
Vは炭素・窒素と反応してVC、VN、V(C,N)を形成し、析出強化と粒成長抑制をもたらす。典型的添加量は0.05〜0.20 mass%程度で、溶接構造用やラインパイプ、ばね鋼、工具鋼に適用される。
- 析出強化：微細なV(C,N)が転位運動を阻害し降伏強さを上昇
- 再結晶抑制：熱間加工後の粒微細化による靱性改善
- 焼戻し二次硬化：工具鋼での高温強度・耐摩耗性向上
- 焼入性調整：他元素（Cr、Mo、W等）との相乗で熱処理特性を制御
チタン合金への寄与（Ti-6Al-4V）
Vはβ相安定化元素であり、Ti-6Al-4V（Al 6%、V 4%）に代表されるα+β型チタン合金の相平衡を制御する。これにより比強度、耐食性、溶接性のバランスが最適化され、航空機機体、ジェットエンジン部材、医療用インプラントに広範に用いられる。Vの添加は高温でのクリープ抑制や時効硬化挙動の制御にも寄与する。
触媒・化学工業用途
V2O5はSO2の酸化（接触法）における代表触媒であり、硫酸製造の要である。さらにV-P-O系触媒はn-ブタンからの無水マレイン酸製造に使われ、SCR脱硝ではV2O5–WO3/TiO2系がNOx還元に利用される。これら触媒は表面酸点・赤血塩型酸化還元サイトの協奏で高選択性を示すが、粉体の取り扱い時には曝露管理が重要である。
工業的用途
バナジウムは鉄鋼への添加剤として、わずか数パーセント添加するだけでも強靱性や耐疲労性を向上させる効果がある。航空機のジェットエンジンや自動車の重要部品に用いられ、軽量化と高強度を同時に達成する上で不可欠な金属の一つとされる。また先述のバナジウムレドックスフロー電池では、対極の酸化還元対を同一元素で構成できるため、長寿命かつ安全性に優れた大規模エネルギー貯蔵の可能性を秘めている。
エネルギー応用：バナジウムレドックスフロー電池（VRFB）
VRFBは同一元素の可逆な多段酸化状態を陰・陽の両電解液に用いることで、交差汚染を回避する大型蓄電池である。負極はV(II)/V(III)、正極はV(IV)/V(V)（VO2+/VO2+）のレドックス対を循環させ、膜分離型セルで充放電する。独立したエネルギー量（タンク容量）と出力（セル面積）のスケーリングが可能で、再エネ平準化・系統安定化に適する。
- 長寿命・深放電耐性、自己消費が小さい
- 難燃性電解液（水系）で安全性が高い
- 課題：電解液コスト、イオン交換膜の耐久、温度管理
加工・溶接上の留意点
バナジウム（V）含有鋼は析出硬化により切削加工で工具摩耗が増える傾向がある。適切な切削条件、コーティング工具（TiAlN等）や高圧クーラントの併用が望ましい。溶接では粗大化や靱性低下を避けるため入熱管理・パス間温度管理が重要で、必要に応じて予熱・後熱やPWHTを実施する。
環境・安全・毒性
金属Vは比較的安定であるが、V2O5や可溶性バナジン酸塩は吸入・経口で毒性を示す。粉じんの曝露は呼吸器刺激や炎症を引き起こすおそれがあり、作業環境管理、密閉化、局所排気、個人用防護具の使用が不可欠である。廃液・廃触媒は法令に従い適切に中和・回収し、環境中への放出を抑制することが求められる。
代表化合物・指標（補足）
代表化合物にはV2O5、V2O3、VO2、NH4VO3（メタバナジン酸アンモニウム）などがある。分析化学では酸化還元滴定や吸光光度法で多価性を活かす。水溶液色の変化（+5：黄、+4：青、+3：緑、+2：紫）は教育・実験現場で理解を助ける視覚的指標である。