Ванадий. Свойства ванадия

Ванадий (vanadium), v, химический элемент v группы периодической системы Менделеева; атомный номер 23, атомная масса 50,942; металл серо-стального цвета. Природный В. состоит из двух изотопов: 51 v (99,75%) и 50 v (0,25%); последний слабо радиоактивен (период полураспада Т 1/2 = 10 14 лет). В. был открыт в 1801 мексиканским минералогом А. М. дель Рио в мексиканской бурой свинцовой руде и назван по красивому красному цвету нагретых солей эритронием (от греч. erythr o s - красный). В 1830 шведский химик Н. Г. Сефстрём обнаружил новый элемент в железной руде из Таберга (Швеция) и назвал его В. в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис. Английский химик Г. Роско в 1869 получил порошкообразный металлический В. восстановлением vcl 2 водородом. В промышленном масштабе В. добывается с начала 20 в.

Содержание В. в земной коре составляет 1,5-10 -2 % по массе, это довольно распространённый, но рассеянный в породах и минералах элемент. Из большого числа минералов В. промышленное значение имеют патронит, роскоэлит, деклуазит, карнотит, ванадинит и некоторые др. Важным источником В. служат титаномагнетитовые и осадочные (фосфористые) железные руды, а также окисленные медно-свинцово-цинковые руды. В. извлекают как побочный продукт при переработке уранового сырья, фосфоритов, бокситов и различных органических отложений (асфальтиты, горючие сланцы).

Физические и химические свойства. В. имеет объёмноцентрированную кубическую решётку с периодом a = 3,0282 å. В чистом состоянии В. ковок, легко поддаётся обработке давлением. Плотность 6,11 г / см 3 , t пл 1900 ± 25°С, t кип 3400°С; удельная теплоёмкость (при 20-100°С) 0,120 кал / гград ; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10 -6 град -1 , удельное электрическое сопротивление при 20 °С 24,8·10 -8 ом · м (24,8·10 -6 ом · см ), ниже 4,5 К В. переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства В. высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н / м 2 (13520 кгс / мм 2), предел прочности 120 нм / м 2 (12 кгс / мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн / м 2 (70 кгс / мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность В., повышают его твёрдость и хрупкость.

При обычной температуре В. не подвержен действию воздуха, морской воды и растворов щелочей; устойчив к неокисляющим кислотам, за исключением плавиковой. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах В. значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. При нагревании на воздухе выше 300°С В. поглощает кислород и становится хрупким. При 600-700°С В. интенсивно окисляется с образованием пятиокиси v 2 o 5 , а также и низших окислов. При нагревании В. выше 700°С в токе азота образуется нитрид vn (t пл 2050°С), устойчивый в воде и кислотах. С углеродом В. взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид vc (t пл 2800°С), обладающий высокой твёрдостью.

В. даёт соединения, отвечающие валентностям 2, 3, 4 и 5; соответственно этому известны окислы: vo и v 2 o 3 (имеющие основной характер), vo 2 (амфотерный) и v 2 o 5 (кислотный). Соединения 2- и 3-валентного В. неустойчивы и являются сильными восстановителями. Практическое значение имеют соединения высших валентностей. Склонность В. к образованию соединений различной валентности используется в аналитической химии, а также обусловливает каталитические свойства v 2 o 5 . Пятиокись В. растворяется в щелочах с образованием ванадатов .

Получение и применение. Для извлечения В. применяют: непосредственное выщелачивание руды или рудного концентрата растворами кислот и щелочей; обжиг исходного сырья (часто с добавками nacl) с последующим выщелачиванием продукта обжига водой или разбавленными кислотами. Из растворов методом гидролиза (при рН = 1-3) выделяют гидратированную пятиокись В. При плавке ванадийсодержащих железных руд в домне В. переходит в чугун, при переработке которого в сталь получают шлаки, содержащие 10-16% v 2 o 5 . Ванадиевые шлаки подвергают обжигу с поваренной солью. Обожжённый материал выщелачивают водой, а затем разбавленной серной кислотой. Из растворов выделяют v 2 o 5 . Последняя служит для выплавки феррованадия (сплавы железа с 35-70% В.) и получения металлического В. и его соединений. Ковкий металлический В. получают кальциетермическим восстановлением чистой v 2 o 5 или v 2 o 3 ; восстановлением v 2 o 5 алюминием; вакуумным углетермическим восстановлением v 2 o 3 ; магниетермическим восстановлением vc1 3 ; термической диссоциацией йодида В. Плавят В. в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах.

Чёрная металлургия - основной потребитель В. (до 95% всего производимого металла). В. входит в состав быстрорежущей стали, её заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% В. резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. В., введённый в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды В., распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. В. в сталь вводят в форме лигатурного сплава - феррованадия. Применяют В. и для легирования чугуна. Новым потребителем В. выступает быстро развивающаяся промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% В. В авиационной, ракетной и др. областях техники нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки В. Разрабатываются различные по составу жаропрочные и коррозионностойкие сплавы на основе В. с добавлением ti, nb, w, zr и al, применение которых ожидается в авиационной, ракетной и атомной технике. Интересны сверхпроводящие сплавы и соединения В. с ga, si и ti.

Чистый металлический В. используют в атомной энергетике (оболочки для тепловыделяющих элементов, трубы) и в производстве электронных приборов.

Соединения В. применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности.

Соединения В. ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения В. Они вызывают раздражение дыхательных путей, лёгочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек и т.п.

В. в организме. В. - постоянная составная часть растительных и животных организмов. Источником В. служат изверженные породы и сланцы (содержат около 0,013% В.), а также песчаники и известняки (около 0,002% В.). В почвах В. около 0,01% (в основном в гумусе); в пресных и морских водах 1·10 7 -2·10 7 %. В наземных и водных растениях содержание В. значительно выше (0,16-0,2%), чем в наземных и морских животных (1,5·10 -5 -2·10 -4 %). Концентраторами В. являются: мшанка plumatella, моллюск pleurobranchus plumula, голотурия stichopus mobii, некоторые асцидии, из плесеней - чёрный аспергилл, из грибов - поганка (amanita muscaria). Биологическая роль В. изучена на асцидиях, в кровяных клетках которых В. находится в 3- и 4-валентном состоянии, то есть существует динамическое равновесие.

Физиологическая роль В. у асцидии связана не с дыхательным переносом кислорода и углекислого газа, а с окислительно-восстановительными процессами - переносом электронов при помощи так называемой ванадиевой системы, вероятно имеющей физиологическое значение и у др. организмов.

Лит.: Меерсон Г. А., Зеликман А. Н., Металлургия редких металлов, М., 1955; Поляков А. Ю., Основы металлургии ванадия, М., 1959; Ростокер У., Металлургия ванадия, пер. с англ., М., 1959; Киффер p., Браун Х., Ванадий, ниобий, тантал, пер. с нем., М., 1968; Справочник по редким металлам, [пер. с англ.], М., 1965, с. 98-121; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967, с. 47-55, 130-32; Ковальский В. В., Резаева Л. Т., Биологическая роль ванадия у асцидии, «Успехи современной биологии», 1965, т. 60, в. 1(4); Воwen Н. j. М., trace elements in biochemistry, l. - n. y., 1966.

И. Романьков. В. В. Ковальский.

Среди известных сегодня 115 химических элементов многие получали свое название в честь героев греческих мифов, богов. Другие называли по фамилии первооткрывателей и известных ученых. Третьи именовались по странам, городам, географическим объектам. Особенно интересна история названия такого элемента, как ванадий. Да и сам по себе этот металл достаточно важный и обладающий особыми характеристиками. Поэтому рассмотрим его подробнее.

Ванадий - химический элемент в таблице Менделеева

Если характеризовать данный элемент по положению в то можно выделить несколько основных пунктов.

1. Располагается в четвертом большом периоде, пятой группе, главной подгруппе.
2. Порядковый номер - 23.
3. Атомная масса элемента - 50,9415.
4. Химический символ - V.
5. Латинское название - vanadium.
6. Русское название - ванадий. Химический элемент в формулах читается как "ванадий".
7. Является типичным металлом, проявляет восстановительные свойства.

По положению в системе элементов очевидно, что как простое вещество данный элемент будет иметь свойства, схожие с таковыми у тантала и ниобия.

Особенности строения атома

Ванадий - химический элемент, которого выражается общей электронной формулой 3d 3 4s 2 . Очевидно, что благодаря такой конфигурации и валентности, и степени окисления могут проявлять неодинаковые значения.

Данная формула позволяет предсказать свойства ванадия как простого вещества - это типичный металл, образующий большое количество различных соединений, в том

Характерная валентность и степень окисления

Благодаря наличию трех неспаренных электронов на 3d подуровне ванадий может проявлять степень окисления +3. Однако она не единственная. Всего выделяют четыре возможные значения:

При этом ванадий - которого также имеет два показателя: IV и V. Именно поэтому соединений у данного атома просто множество, и все они имеют красивую цветную окраску. Особенно этим славятся водные комплексы и соли металла.

Ванадий: химический элемент. История названия

Если говорить об истории открытия данного металла, то следует обратиться к к началу XVIII века. Именно в этот период, в 1801 году, мексиканец дель Рио сумел обнаружить неизвестный ему элемент в составе свинцовой горной породы, образец которой он исследовал. Проведя ряд опытов, дель Рио получил несколько красиво окрашенных солей металла. Он дал ему название "эритрон", однако позже принял его за соли хрома, поэтому пальму первенства в открытии не получил.

Позже другой ученый, швед Сефстрем, сумел получить этот металл, выделив его из состава железной руды. У этого химика сомнений в том, что элемент новый и неизвестный, не было. Поэтому первооткрывателем является именно он. Вместе с Йенсом Берцелиусом он дал название открытому элементу - ванадий.

Почему именно такое? В древнескандинавской мифологии есть одна богиня, которая является олицетворением любви, стойкости, верности и преданности. Она же Ее имя было Ванадис. После того как учеными были изучены свойства соединений элемента, им стало совершенно очевидно, что они очень красивые, цветные. А добавка металла к сплавам резко повышает их качество и прочность и устойчивость. Поэтому в честь богини Ванадис и было дано название необычному и важному металлу.

Ванадий - химический элемент, который в виде был получен еще позже. Лишь в 1869 году английский химик Г. Роско сумел выделить металл в свободном виде из горной породы. Другим ученым Ф. Веллером было доказано, что обнаруженный когда-то дель Рио "хром" является ванадием. Однако мексиканец до этого дня не дожил и о своем открытии так и не узнал. В Россию название элемента пришло благодаря Г. И. Гессу.

Простое вещество ванадий

Как простое вещество рассматриваемый атом представляет собой металл. Он обладает рядом физических свойств.

1. Цвет: серебристо-белый, блестящий.
2. Хрупкий, твердый, тяжелый, так как плотность составляет 6,11 г/см 3 .
3. Температура плавления - 1920 0 С, что позволяет отнести его к тугоплавким металлам.
4. На воздухе не окисляется.

Так как в свободном виде встретить его в природе невозможно, то людям приходится выделять его из состава различных минералов и пород.

Ванадий - химический элемент-металл, который проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании и определенных условиях. Если же говорить о стандартных параметрах окружающей среды, то он способен реагировать лишь с концентрированными кислотами, царской водкой.

С некоторыми неметаллами формирует бинарные соединения, реакции проходят при больших температурах. В расплавах щелочей растворяется, формируя комплексы - ванадаты. Кислород как сильный окислитель растворяется в ванадии, причем тем больше, чем выше температура нагревания смеси.

Нахождение в природе и изотопы

Если говорить о распространенности рассматриваемого атома в природе, то ванадий - химический элемент, который относится к рассеянным. Он входит в состав практически всех крупных горных пород, руд и минералов. Но нигде его не бывает больше 2%.

Это такие породы, как:

• ванадинит;
• патронит;
• карнотит;
• чилеит.

Также можно встретить рассматриваемый металл в составе:

• золы растений;
• океанской воды;
• тел асцидий, голотурий;
• организмов наземных растений и животных.

Если говорить об изотопах ванадия, то их всего два: с массовым числом 51, которого подавляющее большинство - 99,77%, и с массовым числом 50, который является рассеянным радиоактивным и встречается в ничтожных количествах.

Соединения ванадия

Выше мы уже указывали на то, что как химический элемент данный металл проявляет достаточную активность, чтобы сформировать большое количество различных соединений. Так, известны следующие типы веществ с участием ванадия.

1. Оксиды.
2. Гидроксиды.
3. Бинарные соли (хлориды, фториды, бромиды, сульфиды, йодиды).
4. Оксисоединения (оксихлориды, оксибромиды, окситрифториды и прочие).
5. Комплексные соли.

Так как валентность элемента варьируется достаточно широко, то и веществ получается немало. Главная отличительная особенность всех их - это окраска. Ванадий - химический элемент, разбор соединений которого показывает, что цвет может колебаться от белого и желтого до красного и синего, включая оттенки зеленого, оранжевого, черного и фиолетового. Отчасти именно это послужило причиной, по которой дали название атому, ведь это действительно выглядит очень красиво.

Однако многие из соединений получаются лишь при достаточно жестких условиях проведения реакции. Кроме того, большинство из них - токсичные, опасные для человека вещества. Агрегатное состояние веществ может быть самым разным. Например, хлориды, бромиды и фториды - чаще всего темно-розовые, зеленые или черные кристаллы. А оксиды - в виде порошков.

Получение и применение металла

Получают ванадий, выделяя его из горных пород и руд. Причем те минералы, которые содержат даже 1% металла, считаются чрезвычайно богатыми на ванадий. После отделения образца смеси железа и ванадия его переводят в концентрированный раствор. Из него выделяют подкислением ванадат натрия, из которого в дальнейшем получают сильно концентрированный образец, с содержанием металла до 90%.

Затем этот высушенный осадок прокаливают в печи и восстанавливают ванадий до металлического состояния. В таком виде материал готов к использованию.

Ванадий - химический элемент, который находит достаточно широкое применение в промышленности. Особенно в машиностроении и выплавке сплавов из стали. Можно определить несколько основных областей использования металла.

1. Текстильная промышленность.
2. Стекловарение.
3. Производство керамики и резины.
4. Лакокрасочная промышленность.
5. Получение и синтез химических веществ (сернокислое производство).
6. Изготовление ядерных реакторов.
7. Авиационное и кораблестроение, машиностроение.

Ванадий - очень важный легирующий компонент для получения легких, прочных, устойчивых к коррозии сплавов, в основном стали. Не зря его называют "автомобильным металлом".

Описание и свойства ванадия

Ванадий первоначально был обнаружен мексиканцем А.М. Дель Рио в рудах бурого цвета, содержащих свинец, которые при нагревании давали красноватый цвет.

Но официальное признание элемент получил позднее, когда его обнаружил химик из Швеции Н.Г.Сефстрем при исследовании железной руды из местного месторождения и дал ему название Ванадий созвучное с именем Ванадис, которое носила древнегреческая богиня красоты.

По внешнему виду металл напоминает сталь своим серебристо-серым цветом. Но на этом сходство заканчивается. Строение ванадия : кубическая объемноцентрированная решетка с параметрами a=3,024A и z=2. Плотность составляет 6,11 г/ см 3 .

Плавится он при температуре 1920 о С, а кипеть начинает при 3400 о С. А вот нагревание на открытом воздухе до температуры выше 300 о С снижает пластические свойства металла и делает его хрупким, повышая при этом твердость. Понять такое поведение помогает строение атома металла.

Ванадий элемент, имеющий атомный номер 23 и атомную массу 50,942, он относится к V группе четвертого периода системы Д. . А это означает, что атом ванадия состоит из 23-х протонов, 23-х электронов и 28-ми нейтронов.

Несмотря на то что это элемент V группы, валентность ванадия не всегда равна 5. Она бывает 2, 3. 4 и 5 с положительным знаком. Разные значения валентности объясняются разными вариантами заполнения электронных оболочек, при которых они приходят в стабильное состояние.

Известно, что положительное значение валентности определяется числом отданных атомом химического элемента электронов, а отрицательное – числом электронов, присоединенных к внешнему энергетическому уровню для формирования его стабильности. Электронная формула ванадия — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 .

Он может легко отдать два электрона с 4-го подуровня, при этом его степень окисления обусловлена 2-х валентным положительным проявлением. Но атом этого элемента способен отдавать еще 3 электрона с предшествующей внешнему подуровню орбиты и проявить максимальную степень окисления, равную +5.

Оксиды этого элемента с валентностью от 2-х до 5 различны по своему химическому проявлению. Оксиды VO и V 2 O 3 имеют основной характер, VO 2 – амфотерный и V 2 O 5 – кислотный.

Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается , штамповкой, прессованием и прокаткой. Обработка сваркой и резкой должны проходить в инертной среде, т. к. при нагревании теряется пластичность.

При обработке металл практически не подвержен наклепу и может выдержать большие нагрузки при обжатии в холодном виде без промежуточного отжига. Он устойчив к коррозии и не изменяется под влиянием воды, в том числе и морской, а также слабых растворах некоторых кислот, солей и щелочей.

Месторождения и добыча ванадия

Ванадий химический элемент , достаточно распространенный в земных породах, но в чистом виде не встречается, присутствуя в минералах в рассеянном состоянии. Скопления его в породах присутствуют очень редко. Это редкий металл. Руда с содержанием 1% чистого вещества относится к категории богатой.

В промышленности не пренебрегают даже рудами с содержанием 0,1% дефицитного элемента. В малых концентрациях он встречается более чем в сорока минералах. Значимыми для промышленности можно назвать роскоэлит, называемый ванадиевой слюдкой, в котором содержится до 29% пятиокиси V 2 O 5 , карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V 2 O 5 , и ванадинит с содержанием 19% V 2 O 5.

Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V 2 S 5 , содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V 2 O 5.

Найден минерал в Киргизии и Казахстане. Знаменитое Кызылординское месторождение является одним из крупнейших. В России его добывают в основном в Краснодарском крае (Керченское месторождение) и на Урале (Гусевогорское месторождение титаномагнетитов).

Технология извлечения металла зависит от требований к его чистоте и области использования. Основные методы, применяемые в технологии его получения – это йодидный, кальцетермический, алюминотермический, углетермический в вакууме, хлоридный.

В основе технологии йодидного метода лежит термическая диссоциация йодида . Распространенным является получение металла восстановлением V 2 O 5 термическим методом с применением кальция или алюминия.

При этом происходит реакция по формуле: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 кДж с выделением тепла, которого достаточно для расплавления образовавшегося V, что позволяет ему стекать и собираться в твердом виде. Чистота металла, полученного таким способом, достигает 99,5%.

Современный способ извлечения V — это восстановление оксидов в условиях вакуума углеродом при температуре от 1250 о С до 1700 о С. Метод хлоридной добычи заключается в восстановлении VCl 3 жидким магнием.

Применение ванадия

Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой повышает прочностные параметры сталей, а также ее вязкость, износостойкость и другие характеристики.

При этом добавка выполняет функцию как раскислителя, так и карбидообразующего компонента. Карбиды равномерно располагаются в сплаве, предотвращая структурный рост зерен стали при нагревании. Легированный ванадием чугун также способствует улучшению его качеств.

Применяется ванадий для улучшения сплавов на основе титана. Есть титана, в составе которых содержится до 13% этой легирующей добавки. Присутствует ванадий также в сплавах ниобия, тантала и хрома, используемых в авиационной промышленности, а также алюминиевых, титановых и других материалах авиации и ракетостроения.

Уникальность элемента позволяет использовать его в атомной отрасли при производстве канальных труб ТВЭЛов для атомных станций, т. к. он, как и цирконий, обладает свойством малого поперечного захвата тепловых нейтронов, что важно при протекании ядерных реакций. В атомно-водородной технологии используют хлорид ванадия для термохимического взаимодействия с водой.

Используют ванадий в химической и сельскохозяйственной отрасли, медицине, стекольном производстве, текстильной области, лакокрасочном производстве и изготовлении аккумуляторов. Широко распространены ручные и оснастка из сплава хром ванадий, отличающиеся своей прочностью.

Одно из последних направлений — это электроника. Особенно интересным и перспективным является материал на основе диоксидов титана и ванадия . Соединенные определенным образом, они создают систему, обладающую способностью значительно увеличивать память и скорость компьютеров и других электронных устройств.

Цена ванадия

В качестве готового сырья ванадий выпускают в виде , прутков, кругов, а также оксидов. В ассортименте многих предприятий, занимающихся производством этого тугоплавкого металла, представлены сплавы различных марок. Цена во многом зависит от назначения, чистоты металла, способа производства, а также вида продукции.

Например, Екатеринбургское предприятие НПК «Специальная металлургия» реализует слитки по цене 7 тыс. за кг, — по цене от 440 до 500 тыс. за тонну, слитки марки ВНМ-1 по цене 500 тыс.за тонну. Цена может меняться также в зависимости от рыночных условий и спроса на продукцию.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

В виде простого вещества ванадий серый тугоплавкий металл с объемно-центрированной кубической решеткой. Расположен в четвертом периоде V группы побочной (B) подгруппы Периодической таблицы.

Плотность - 6,11 г/см 3 . Температуры плавления и кипения равны 1920 o С и 3400 o С, соответственно. Физико-химические свойства ванадия сильно зависят от чистоты метала. Так, чистый металл отличается ковкостью, тогда как наличие примесей в нем сильно ухудшает его пластичность и повышают твердость. В обычных условиях - химически стойкий металл.

Валентность ванадия в соединениях

Ванадий находится в четвертом периоде в VB группе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Порядковый номер равен 23. В ядре атома ванадия содержится 23 протона и 27 нейтронов (массовое число равно 50). В атоме ванадия есть четыре энергетических уровня, на которых находятся 23 электрона (рис. 1).

Рис. 1. Строения атома ванадия.

Электронная формула атома ванадия в основном состоянии имеет следующий вид:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 .

А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):

Наличие трех неспаренных электронов свидетельствует о том, что ванадий в своих соединениях может проявлять валентность III (V III 2 O 3 , V III F 3 , V III Cl 3).

Атом ванадия способен переходить в возбужденное состояние: электроны 4s-подуровня распариваются и один из них занимает вакантную орбиталь 3d-подуровня:

Наличие пяти неспаренных электронов свидетельствует о том, что ванадий также проявляет валентность V в своих соединениях (V V 2 O 5 , V V F 5).

Известно, что у ванадия есть валентности II(V II O) и IV (V IV O 2 , V IV Cl 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1