Ванадий | это... Что такое Ванадий? (original) (raw)

23 Титан ← Ванадий → Хром Периодическая система элементов 23V Cubic-body-centered.svg Electron shell 023 Vanadium.svg
Внешний вид простого вещества
ВанадийПластичный металл серебристо-серого цвета
Свойства атома
Имя, символ, номер Вана́дий / Vanadium (V), 23
Атомная масса(молярная масса) 50,9415 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d3 4s2
Радиус атома 134 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 122 пм
Радиус иона (+5e)59 (+3e)74 пм
Электроотрицательность 1,63 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации(первый электрон) 650,1(6,74) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 6,11 г/см³
Температура плавления 2160 K
Температура кипения 3650 K
Теплота плавления 17,5 кДж/моль
Теплота испарения 460 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 24,95[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём 8,35 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическаяобъёмноцентрированная
Параметры решётки 3,024[1] Å
Температура Дебая 390 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 30,7 Вт/(м·К)

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

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

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

Бруски ванадия 99,95 % чистоты, полученные переплавкой в электронном пучке. Поверхность брусков протравлена для проявления структуры.

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:

Название Формула Плотность Температура плавления Температура кипения Цвет
Оксид ванадия(II) VO 5,76 г/см³ ~1830 °C 3100 °C Черный
Оксид ванадия(III) V2O3 4,87 г/см³ 1967 °C 3000 °C Черный
Оксид ванадия(IV) VO2 4,65 г/см³ 1542 °C 2700 °C Темно-голубой
Оксид ванадия(V) V2O5 3,357 г/см³ 670 °C 2030 °C Красно-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

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 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·1017 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 49V (_T_1/2=337 дней) и 48V (_T_1/2=15,974 дня).

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 349. — 623 с. — 100 000 экз.
  2. ↑ Электронная библиотека НЕФТЬ-ГАЗ

Ссылки

commons: Ванадий на Викискладе?
Соединения ванадия
Борид ванадия (VB2) • Бромид ванадия(II) (VBr2) • Бромид ванадия(III) (VBr3) • Гексакарбонилванадий (V(CO)6) • Гидроксид ванадия(II) (V(OH)2) • Гидроксид ванадия(III) (V(OH)3) • Дисилицид ванадия (VSi2) • Дисульфид ванадия (VS2) • Иодид ванадия(II) (VI2) • Иодид ванадия(III) (VI3) • Карбид ванадия (VC) • Метаванадат аммония (NH4VO3) • Метаванадат натрия (NaVO3) • Нитрид ванадия (VN) • Оксибромид ванадия(III) (VOBr) • Оксид ванадия(II) (VO) • Оксид ванадия(III) (V2O3) • Оксид ванадия(IV) (VO2) • Оксид ванадия(V) (V2O5) • Оксидибромид ванадия(IV) (VOBr2) • Оксидифторид ванадия(IV) (VOF2) • Оксидихлорид ванадия(IV) (VOCl2) • Окситрибромид ванадия(V) (VOBr3) • Окситрифторид ванадия(V) (VOF3) • Оксид-трихлорид ванадия (VOCl3) • Оксихлорид ванадия(III) (VOCl) • Ортованадат натрия (Na3VO4) • Силицид ванадия (V2Si) • Силицид триванадия (V3Si) • Сульфат ванадила (VOSO4) • Сульфат ванадия(II) (VSO4) • Сульфат ванадия(III) (V2(SO4)3) • Сульфид ванадия(II) (VS) • Сульфид ванадия(III) (V2S3) • Сульфид ванадия(V) (V2S5) • Фторид ванадия(II) (VF2) • Фторид ванадия(III) (VF3) • Фторид ванадия(IV) (VF4) • Фторид ванадия(V) (VF5) • Хлорид гексаамминванадия(III) ([V(NH3)6]Cl3) • Хлорид ванадия(II) (VCl2) • Хлорид ванадия(III) (VCl3) • Хлорид ванадия(IV) (VCl4) • Хлорид диоксованадия(V) ((VO2)Cl)
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы
Просмотр этого шаблона Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала.
Есть более полная статья