Ванадий металл или неметалл - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Ванадий металл или неметалл

Ванадий. Свойства ванадия. Применение ванадия

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. Менделеева . 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 V2O3 имеют основной характер, VO2 – амфотерный и V2O5 – кислотный.

Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается ковкой , 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 V2O5, карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V2O5, и ванадинит с содержанием 19% V2O5.

Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V2S5, содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V2O5.

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 ванадия . Распространенным является получение металла восстановлением V2O5 термическим методом с применением кальция или алюминия.

При этом происходит реакция по формуле: V2O5+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 VCl3 жидким магнием.

Применение ванадия

Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой лигатуры 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 сплавы 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 инструменты 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 слитков , 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, лом — 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.

Ванадий металл или неметалл

Вана́дий — элемент побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Обозначается символом V (лат. Vanadium ). Простое вещество ванадий (CAS-номер: 7440-62-2) — пластичный металл серебристо-серого цвета.

Содержание

История

Ванадий был открыт в 1801 г. профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем название на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.

В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.

Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он серьёзно отравился фтороводородом незадолго до открытия Сефстрёма и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.

Происхождение названия

Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-исл. Vanadís — дочь Ванов; Ванадис).

Нахождение в природе

Этот раздел не завершён.

Ванадий относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6·10 −2 % по массе, в воде океанов 3·10 −7 %. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнистых железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Месторождения

Известны месторождения в Перу, Колорадо, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России [2] .

Получение

Этот раздел не завершён.

В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16 %. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90 % ванадия.

Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), термическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3) кальцием, термической диссоциацией VI2 и другими методами.

Физические свойства

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость [1] .

Химические свойства

Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.

С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, темно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные. Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.). Известны следующие оксиды ванадия:

Читайте также:  Шлифовальная насадка на дрель своими руками

1830 °C

НазваниеФормулаПлотностьТемпература плавленияТемпература кипенияЦвет
Оксид ванадия(II)VO5,76 г/см³3100 °CЧерный
Оксид ванадия(III)V2O34,87 г/см³1967 °C3000 °CЧерный
Оксид ванадия(IV)VO24,65 г/см³1542 °C2700 °CТемно-голубой
Оксид ванадия(V)V2O53,357 г/см³670 °C2030 °CКрасно-желтый

Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

Применение

80 % всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.

Атомно-водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс»,США). В металлургии ванадий обозначается буквой Ф

Химические источники тока

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

В производстве серной кислоты

Оксид ванадия(V) используется как катализатор на стадии превращения сернистого ангидрида в серный.

Биологическая роль и воздействие

Этот раздел не завершён.

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем, тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается.

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.

При введении ванадия животным (в дозах 25-50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2-4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Кроме того ванадий у некоторых организмов, например, у морских жителей дна голотурий и асцидий концентрируется в целомической жидкости/крови, причем его концентрации достигают 10 %. Его функция в организме голотурий до конца не ясна, разные ученые считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.

Изотопы

Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50 V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51 V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·10 17 лет, т. е. для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в бета-минус-распад, превращаясь в массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49 V (T1/2=337 дней) и 48 V (T1/2=15,974 дня).

Физические и химические свойства Ванадия.

Ванадий впервые был открыт в 1802 году Андресом дель Рио, мексиканским борцом за свободу родины, химиком и минералогом, работавшим с мексиканской свинцовой рудой.Дель Рио назвал открытый элемент панхромиумом, или эритронием за способность давать разнообразно окрашенные и, в частности, красные соединения. Однако сообщение Дель Рио прошло незамеченным, тем более что он сам не был твердо уверен в том, что полученное им красное вещество не представляет собой загрязненный хромат свинца. Вслед за дель Рио рудами, содержащими ванадий, начал заниматься Велер, но по каким то причинам отложил работу, и таким образом честь окончательного открытия ванадия перешла к скандинавскому ученому Зефштерму, установившему в 1830 году присутствие нового элемента в норвежских железных рудах и давшему ему название ванадий в честь мифологической скандинавской богини красоты Ванадис.

В 1834 году ванадий был найден в свинцовой руде на Урале, а в 1839 году – инженером Шубиным в пермских медистых песчаниках.Своеобразные свойства ванадия, которые были замечены уже первыми его исследователями, наряду с обстоятельствами, сопровождавшими его открытие, вызвали повышенный интерес к новому элементу. В числе исследователей, изучавших химию ванадия следует упомянуть Роско, установившего главнейшие свойства ванадия и впервые получившего его в виде металла.Ванадий относится к пятой группе, расположен в четвертом периоде. Его аналогами являются ниобий и тантал, вместе с которыми ванадий и образует основную подгруппу пятой группы. Высшая валентность ванадия равна пяти.Расположение электронов в атоме ванадия следующее: 2, 8, 11, 2. . Основные характеристики ванадия:

Порядковый номер23
Атомный вес50,95
Плотность5,5
Радиус атома1,36
Радиус пятивалентного иона0,64
Электросопротивление0,6*10-4
Температура плавления1917

Металлический ванадий устойчив на воздухе, довольно пластичен, хорошо шлифуется, полируется.Твердость его выше, чем у стали. Ванадий устойчив по отношению к кислотам. На холоду ванадий растворяется в царской водке и в азотной кислоте.Однако выделение ванадия в виде металла сопряжено с большими трудностями вследствие его исключительно высокой реакционной способности: ванадий реагирует при нагревании не только с восстановителями – углеродом и водородом, но и с азотом; соединяется также с хлором, бромом и серой. Концентрированная серная кислота и плавиковая кислота действуют на ванадий лишь при нагревании.Ванадий устойчив также по отношению к растворам щелочей, однако в расплавленных щелочах он медленно растворяется, образуя соли ванадиевой кислоты.Ванадий играет огромную роль в металлургии как легирующий элемент. В связи с этим за последние годы подробно исследованы механические свойства как самого ванадия разной степени чистоты, так и его сплавов, их коррозионная устойчивость в различных средах.Изучены также диаграммы состояния ванадия со многими металлами, но и с неметаллами. Особое внимание уделяется системам титан-ванадий , поскольку они лежат в основе некоторых пластичных титанаванадиевых конструкционных сплавов

Соединения ванадия с кислородом.

Важнейшим кислородным соединением ванадия является его пятиокись имеющая в порошке коричневато-красный цвет. Пятиокись плавится при 650-675 °C., причем расплав также окрашен в красный цвет. Пятиокись ванадия образуется при окислении металлического ванадия кислородом, а также при термическом разложении некоторых соединений ванадия. Пятиокись ванадия является конечным продкутом при переработке ванадиевого сырья и служит исходным веществом для получения других соединений ванадия. Пятиокись ванадия имеет кислотный характер.В воде она почти не растворима. При растворении пятиокиси ванадия в растворах щелочей образуются соли ванадиевой кислоты – ванадаты. Аналогично пятиокиси фосфора пятиокись ванадия дает несколько типов кислот – метаванадиевую, пированадиевуюи ортованадиевую.Двуокись ванадия представляет собой темно-синие, почти черные кристаллы или, в зависимости от способа получения, темно-зеленый порошок. Двуокись может быть получена осторожным восстановлением пятиокиси, например сплавлением с щавелевой кислотой. Двуокись ванадия имеет амфотерный характер. Трехокись ванадия может быть получена восстановлением пятиокиси ванадия, но в этом случае восстановление ведется водородом при 700°C.Трехокись ванадия представляет собой черный блестящий кристаллический порошок, медленно растворяющийся в кислотах с образованием трехвалентного катиона. Растворы солей трехвалентного ванадия, взаимодействуя с растворами щелочей, выделяют зеленый осадок гидрата окиси очень легко окисляющийся на воздухе.Соединения трехвалентного ванадия явялются весьма сильными восстановителями. Несколько более устойчивыми на воздухе оказываются выделенные в виде фиолетовых кристаллов двойные сульфаты трехвалентного ванадия типа квасцов. Растворы этих солей имеют зеленый цвет. При охлаждении сплавов пятиокиси ванадия с солями щелочных металлов выделяются ванадиевые бронзы. Ванадиевые бронзы были впервые получены еще в начале 20 века и названы ванадико-ванадатами. Это название подчеркивало предположение о том, что в составе бронз находится ванадий разной степени валентности.Сейчас, однако, методами рентгеновского анализа показано, что все атомы ванадия находятся в бронзе в одном валентном состоянии. Известно очень большое количество солей, производимых от ванадиевых кислот. Наиболее устойчивы и практически важны метаванадаты. Надо сказать, что вопросу о формах существования ванадия в растворе было посвящено очень много работ на протяжении ряда лет и что сейчас существуют различные точки зрения на строение ионов, особенно оранжевых изополиванадатов.

Соединения ванадия с серой.

Также стоит упомянуть о соединениях с серой. При нагревании окислов ванадия в токе сероводорода образуется черный сульфид трехвалентного ванадия; сульфид пятивалентного ванадия, тоже черный, получается при нагревании трехокиси ванадия серой. Сульфид пятивалентного ванадия растворяется в сернистом аммонии и в растворах щелочей с образованием сульфосолей, дающих вишнево-красные растворы. Сульфосоли получаются также при растворении пятиокиси ванадия в растворах соответствующих сульфидов или при действии сульфида аммония на растворы ванадия. Сульфасоли ванадия разлагаются кислотами с образованием сульфида пятивалентного ванадия. При действии сероводорода на растворы четырехвалентного ванадия также образуются сульфосоли, из которых при подкислении выпадает коричневый сульфид. При исследовании процесса восстановления ванадия в токе сероводорода установлено, что состав образующегося сульфида близок к технолгическим данным.

Соединения ванадия с кремнием.

Впервые силициды ванадия были получены в 1902 году Муассаном и Холлом при восстановлении оксида ванадия углеродом в присутствии кремния. В настоящее время диаграмма состояния изучена довольно подробно, причем установлено образование нескольких фаз перехода оксида ванадия.

Сплавы ванадия с кремнием устойчивы против окисления при высоких температурах, но уступают в этом отношении силицидам молибдена и вольфрама. Силицид является сверхпроводником. Теплоты образования силицидов ванадия из элементов установлены работами Голутвина и Козловской.

Ванадий образует два карбида – с гексагональной решеткой и с кубической, причем изоморфен соответствующим карбидам молибдена, вольфрама и тантала, а другой – соответствующим карбидам титана, циркония , тантала и ниобия.

Соединения ванадия с галогенами.

Образование простых галогеноидов для пятивалентного ванадия не характерно: известен только фторид ванадия, получающийся непосредственными соединениями элементов при 300 °C. Четырехвалентный ванадий образует не только фторид, но и хлорид, представляющий собой тяжелую красно-бурую жидкость с температурой плавления – 26 °C и температурой кипения 152 °C. Четырехвалентный ванадий получается при взаимодействии ванадия и хлора при нагревании. Треххлористый ванадий образуется в результате разложения четыреххлористого ванадия при нагревании. Известны также другие галогениды ванадия в разной степени его валентности, однако не имеющие пока практического значения. При взаимодействии сухого хлористого водорода с пятиокисью ванадия образуется оксихлорид ванадия, представляющий собой желтую жидкость. Известны также и другие оксихлориды ванадия не имеющие практического значения. Перейдя ниже по ссылкам вы сможете купить металлический ванадий и его сплавы.

Применение ванадия

Использовать ванадий начали в 18 веке для изготовления стекла, разноцветной керамической плитки и лакокрасочных материалов. В гончарных мастерских Европы фарфоровую посуду окрашивали с помощью солей вольфрама, которые придавали золотистый оттенок. В химической промышленности для изготовления сернокислых катализаторов необходим ванадий. Катализаторы на основе ванадия используются при крекинге нефти и производстве уксусной кислоты. Ванадий – лидер среди легирующих элементов в мире. Генри Форд вместе с французскими инженерами впервые применили ванадиевую сталь в начале 20 века. Из нее получалась высококачественная броня, которая защищала корпуса первых военных самолетов. Использование ванадия при производстве автомобилей позволило сделать их более легкими и снизить стоимость. В цветной металлургии ванадий добавляется в алюминий, молибден и другие металлы для улучшения их свойств. Духовые музыкальные инструменты изготавливают из 5% сплава ванадия с алюминием. Подробнее прочитать про применение ванадия.

Купить ванадий

В компании ТК Урал-Металл вы всегда можете приобрести продукцию из ванадия по самым низким ценам на отечественном рынке. Продукция выпускаемая на современном иностранном оборудовании известных марок, с учетом соблюдения международных сертификатов качества ISO, отечественных ГОСТА и ТУ, самая конкурентоспособная во всем Уральском регионе. На сайте компании вы всегда можете заказать: ванадиевая проволока, ванадиевый пруток, ванадиевый круг, ванадиевый слиток, оксид ванадия. Все ваши заказы мы принимаем и обрабатываем точно в срок. В нашей компании вы всегда можете приобрести ванадий и его сплавы следующих марок: ВВ-8, ВН2А-1, ВнМ-0, ВнМ-1, ВНМ-2, ВнП-1, ВнПл-1, ВнПл-2, ВХ-8.

Ванадий

1,63 (шкала Полинга)

Содержание

История [ править ]

Ванадий был открыт в 1801 г. профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем название на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.

В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.

Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он серьёзно отравился фтороводородом незадолго до открытия Сефстрёма и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.

Происхождение названия [ править ]

Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-сканд. Vanadís — дочь Ванов; Ванадис).

Нахождение в природе [ править ]

23Титан ← Ванадий → Хром
V

Nb
Внешний вид простого вещества
Свойства атома
Название, символ, номер

Вана́дий / Vanadium (V), 23

Химические свойства
Ковалентный радиус
Энергия ионизации
(первый электрон)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)Этот раздел не завершён.

Ванадий относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6·10 −2 % по массе, в воде океанов 3·10 −7 %. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230—290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах, а также в оолитовых и кремнистых железных рудах. Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен, рутил, ильменит), слюды, пироксены и гранаты, обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Месторождения [ править ]

Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России [3] , Турции, Англии.

Получение [ править ]

Этот раздел не завершён.

В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8—16 %. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90 % ванадия.

Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), термическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3) кальцием, термической диссоциацией VI2 и другими методами.

Физические свойства [ править ]

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость [2] .

Химические свойства [ править ]

Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.

С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, темно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные. Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.). Известны следующие оксиды ванадия:

1830 °C

НазваниеФормулаПлотностьТемпература плавленияТемпература кипенияЦвет
Оксид ванадия(II)VO5,76 г/см³3100 °CЧерный
Оксид ванадия(III)V2O34,87 г/см³1967 °C3000 °CЧерный
Оксид ванадия(IV)VO24,65 г/см³1542 °C2700 °CТемно-голубой
Оксид ванадия(V)V2O53,357 г/см³670 °C2030 °CКрасно-желтый

Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

Применение [ править ]

80 % [источник не указан 1850 дней] всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США). В металлургии ванадий обозначается буквой Ф.

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

Оксид ванадия(V) используется как катализатор на стадии превращения сернистого ангидрида в серный.

Биологическая роль и воздействие [ править ]

Этот раздел не завершён.

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем [источник не указан 1426 дней] , тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается [источник не указан 1619 дней] .

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.

При введении ванадия животным (в дозах 25—50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2—4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Однако выяснено, что ванадий является ультрамикроэлементом, и играет довольно важную роль в обмене веществ. После того как подопытных животных полностью лишали ванадия, у них выпадали зубы, они переставали размножаться. Также отсутствие ванадия в организме человека вызывает особые проявления шизофрении. [источник не указан 1426 дней]

Ванадий содержится в микроскопических количествах во многих продуктах. Дополнительно принимать ванадий медики не рекомендуют, однако надо следить, чтобы эти продукты поступали в организм. [источник не указан 1426 дней]

Кроме того, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазме и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 % [4] . Функция элемента в организме до конца не ясна, разные ученые считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования — возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.

Изотопы [ править ]

Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50 V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51 V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·10 17 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50 Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50 Cr. Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49 V (T1/2=337 дней) и 48 V (T1/2=15,974 дня).

Ванадий (химический элемент): история названия, строение атома, валентность

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 периодической системе, 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, строение атома 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 числе комплексных.

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:

  • +2;
  • +3;
  • +4;
  • +5.

При этом ванадий — химический элемент, валентность 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 богиня красоты. 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 простого вещества 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%.

Содержание в земной коре значительно и составляет 1,9*10 -7 . По этому показателю он стоит впереди меди, цинка, свинца. Собственные горные породы металл не формирует, однако существует несколько месторождений, которые считаются именно ванадиевыми. В них содержится железо, в кристаллическую решетку которого встроены атомы ванадия в большом количестве.

Это такие породы, как:

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».

Ванадий и его характеристики

Общая характеристика ванадия

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).

Чистый ванадий – серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3 , плавящийся при температуре 1900 o С. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.

Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ванадия

Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.

Изотопы ванадия

Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51 V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.

Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50 V с периодом полураспада равным 1,5×10 17 лет, а также пять ядерных изотопов.

Ионы ванадия

На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:

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

В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Молекула и атом ванадия

В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

Сплавы ванадия

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 – 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Примеры решения задач

ЗаданиеПодберите коэффициенты в схемах следующих окислительно-восстановительных реакций. Укажите, как изменяется степень окисления ванадия.
ОтветПодбирая коэффициенты для уравнения химических реакций, следует помнить о том, что количество атомов каждого из элементов правой части должно равняться количеству атомов элементов из левой части. Таким образом уравнения принимают следующий вид:

В первой реакции степень окисления ванадия изменяется с 0 до +5. Во втором – с +5 до +4.

ЗаданиеНапишите формулы всех известных оксидов ванадия. Покажите, как изменяются кислотно-основные свойства этих оксидов с ростом степени окисления ванадия.
ОтветИзвестны оксиды ванадия (II) (VO), III (V2O3), IV (VO2) и V (V2O5).

Для оксида ванадия (II) характерно проявление сильных основных свойств, в реакции он выступает в роли сильного восстановителя:

Оксид ванадия (III) проявляет основные свойства и также является восстановителем:

Оксид ванадия (IV) проявляет амфотерные свойства в ОВР практически не участвует.

Оксид ванадия (V) проявляет амфотерные свойства с преобладанием кислотных, в реакциях является сильным окислителем:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector