Властивості ванадію

Ванадій. [Vanadium; по імені древньоскандинавської богині краси Ванадіс (Vanadis)], V – хім. елемент V групи періодичної системи елементів; ат. н. 23, ат. м. 50,9414. Метал сріблясто-сірого кольору. У з’єднаннях може проявляти ступені окиснення від +2 до +5. Найбільш стійки і типові з’єднання зі ступенем окислення +5. Природний В. складається з ізотопів 61 V (99,75%) і 50 V (0,25%); отримані ізотопи 47 V, 48 V, 62 V і 53 V, найважливіший ІЕ яких брало 48 V (період напіврозпаду 16 ± 0,2 доби). В. був виявлений (+1801) мекс мінералогом А. М. дель Ріо в свинцевим руді. У 1831 існування В. остаточно встановив шведський хімік Н. Г; Сефстрем.

Металевий ванадій отримав (1869) англ. хімік Г.Е. Роско відновленням хлориду (VC12) воднем. У пром-сті В. почали застосовувати на рубежі 19- 20 ст. як легуючої добавки до сталі (произ-во броньових плит у Франції, стали для автомобілів на заводах Форда). Зміст В. в земній корі 0,015%. В.- досить поширений, але розсіяне в породах і мінералах елемент. Входить до складу більше 65 мінералів: патроніта, карнотиту, роскоеліта, моттраміта, деклуазіта, ванадиніт-та, тюямуніта та ін. Міститься в комплексних рудах ін. Металів, в речовинах органічного походження (осадових залізних рудах, вугіллі, бітумах, нафти та ін. ), в морській воді.

В. витягують як побічний продукт при переробці уранової сировини, фосфоритів, бокситів і ін. Кристалічна решітка В. об’емноцентрірованнаяв кубічна з періодом а = 3,024 А (т-ра 25 ° С); щільність В. чистотою 99,8- 99,9% (т-ра 20 ° С) 6,11 г / см3; tпл 1950 ° С; tкип +3309 ° С; температурний коеф. лінійного розширення (т-ра 20-1100 ° С) 10,9 • 10-6 град-1; коеф. теплопровідності при т-рі 100 і 500 ° С відповідно 0,074 і 0,088 кал / см • сек • град; СР значення питомої теплоємності при пост, тиску і т-рі 20-100 ° С становить 0,119 кал / г • град; теплота плавлення 82,5 кал / г; теплота випаровування 2150 кал / г. Пружність пари: при т-рі 1300 К становить 1,34 • 10-10, при т-рі 2000 К -1,76 • 10-3, при т-рі 2600 К – 1,47, при т-рі 3000 К – 26,8 мм рт. ст. Поперечний перетин захоплення теплових нейтронів 4,5 ± 0,9 барн / атом. Мех. св-ва в значній мірі залежать від наявності домішок, особливо домішок впровадження.

Залежно від змісту домішок отримують В. від крихкого і твердого (HV> 300 кгс / мм2) до пластичного і м’якого (HV = 60-80 кгс / мм2). Мікротвердість найчистішого В.- 65 кгс / мм2. Межа міцності В. чистотою 99,7-99,9% становить 32-60 кгс / мм2, чистотою вище 99,9% – 19-22 кгс / мм2; межа плинності відповідно 28-45 і 11- 12 кгс / мм2. Відносне подовження залежно від чистоти від 17 до 45%, звуження поперечного перерізу від 25 до 75-85%. Кут загину без руйнування чистого В. становить 180 °. Модуль пружності 13 800- 14100 кгс / мм2, модуль зсуву 4730 кгс / мм2, модуль стисливості 55340 кгс / см2. Питомий електричний опір В. чистотою 99,9% (т-ра 26 ° С) 22,6 • 10-6 ом • см. Іонізаційний потенціал 6,8 ев. Робота виходу 3,79 ев. В.- надпровідник другого роду, т-ра переходу в надпровідний стан 5,3 К (99,9% У) .Для Ст характерні парамагнітні св-ва. Відрізняється високою хім. стійкістю в органічних к-тах, в розбавлених неорганич. к-тах (крім фтористоводородной к-ти) при охолодженні, в морській воді, розчинах різних солей, в розплавах лужних металів. Розчиняється в плавиковою, концентрованої азотної та сірчаної к-тах, в «царській горілці», в розплавлених лугах. При кімнатній т-рі стійкий на повітрі. Окислення починається при нагріванні до т-ри 300 ° С і стає інтенсивним при т-рі 600-700 ° С, коли утворюється п’ятиокис В. розплавляється (tпл 675 ° С) і стікає з поверхні металу. При підвищеній т-рі реагує з більшістю неметалів, утворюючи відповідні з’єднання {карбіди, нітриди і т. Д.).

Металевий В. отримують відновленням пятиокиси В. алюмінієм (метал чистотою 95%, к-рий служить вихідним матеріалом для подальшого рафінування ін. Методами, для произова феррованадия і сплавів титан – ванадій – алюміній), кальцієм або вуглецем (використання вуглецю найбільш перспективно ); відновленням хлориду (VCl3) рідким магнієм; термічної. дисоціацією йодиду (VI2) (одержуваний метал – найбільш високої чистоти). Метод термічної дисоціації використовують і для рафінування металу. Чернової метал (чистотою 95-99%) рафінують електролізом в сольовий ванні (за допомогою розплавлених хлоридів), переплавкою в індукційних, дугових і Електроннопроменева печах, зонної плавкою у високому вакуумі (до чистоти близько 99,8-99,9%). Щільний металевий В. отримують плавкою, а також пресуванням з наступним спіканням або гарячим пресуванням. Для отримання пластичного безпористого В. необхідний високий вакуум (не нижче 10-5 мм рт. Ст.) Або середу чистого інертного газу, не повинно бути взаємодії з матеріалом тигля. Плавка можлива в тиглях з BeO, Th02, CeS і СаО (короткочасна).

Перспективна бестігельной плавка або плавка в водоохолоджуваному мідному тиглі. В. можна піддавати деформированию (куванні, волочінню) в холодному стані з проміжними відпалу, в гарячому стані – зі спец. захистом (інертним газом, обробкою в оболонці); можлива кування з короткочасним нагріванням на повітрі з подальшим видаленням поверхневого твердого шару. При обробці В. різанням застосовують високі швидкості різання з невеликою подачею, а в якості мастила – гас. Відпал з метою дегазації, зняття напруг і отримання макс, пластичності доцільно проводити у високому вакуумі, в середовищі очищеного аргону або гелію при норм, або при зниженому тиску, т-ра відпалу 900-1000 ° С. Осн. область застосування В.- произ-во спец. сталей. В. може бути використаний для виготовлення покриттів паливних елементів і оболонок ядерних реакторів. Ванадієві листи і покриття застосовують у суднобудуванні і хім. апаратобудуванні. Ванадієву фольгу використовують як прошарок при плакуванням стали і тугоплавких металів титановими, цирконієвими сплавами, а також сплавами благородних металів; можна застосовувати У. як високотемпературного припою для тугоплавких металів. З чистого В. виготовляють антикатоді рентгенівських трубок, рентгенівські фільтри для отримання чистого Kа-випромінювання хрому. В. служить основою надпровідних сплавів, твердих сплавів та ін. Сплавів зі спец. св-ва-ми, присадкою до ін. перехідним металам. З’єднання В. знаходять застосування в хімічній промисловості (як активні каталізатори), в скляній, текстильної та ін. Галузях пром-сті.

Характеристика елемента. Ванадій є як би сполучною між підгрупою VA і підгрупою VB. Його хімія до такої міри нагадує хімію підгрупи миш’яку, що в ступені окислення + 5 ванадию відповідає кислота, набагато більш стійка, ніж кислоти сурми і вісмуту – членів головною підгрупи. Одночасно ж цей елемент утворює просте речовина у вигляді типового сталого тугоплавкого металу. За кількістю ступенів окислення ванадій нагадує азот. Правда, при нижчих ступенях окислення з ряду +1, +2, +3, +4 властивості утворюваних нею з’єднань вже нагадують більше хімію металу, ніж неметалла. По стабільності валентні стани ванадію нерівноцінні. Самим стійким станом ванадію є +4, а ступінь окислення +1 підтверджується його органічними похідними. У комплексах K5 [V (CN) 5NO] і карбонілами [V (CO) 6] ¯ і V (CO) 6 при координаційній числі, рівному 6, його ступінь окислення -1 або навіть нуль.

Властивості простої речовини і з’єднань. У вигляді металу з чистотою, близькою до 100%, ванадій – сріблясто-сірий метал, ковкий, пластичний, твердий і стійкий до корозії. Невеликі домішки вуглецю різко змінюють його температуру плавлення: чистий плавиться при ~ 1 900 ° C, а з добавкою вуглецю температура плавлення піднімається до ~ 2700 ° С. При цьому метал стає твердим і крихким. Ванадій при кімнатній температурі стійкий до
більшості реагентів: воді, кисню, лугів, не окислюючими кислотам, за винятком плавикової, яка легко розчиняє оксидну плівку ванадію:

V2O6 + 12HF = 2Н [VF6] + 5Н2O

Розчиняється ванадій в азотній кислоті, «царській горілці», концентрованої сірчаної кислоти:

V + 4H2SO4 = V (SO4) 2 + 4Н2O + 2SO2

При підвищенні температури до 500-700 ° С він реагує з більшістю неметалів:
t °
V + 2Cl2 → VCl4

V + 2S → VS2
<700 °> 700 °
4V + 5O2 → 2V2O5 → 4VO2 + O2

Елемент утворює цілий ряд оксидів. Їх характер змінюється від основного у VO і V2O3 до кислотного V2O5, який утворює при розчиненні у воді блідо-жовтий розчин слабкої ванадієвої кислоти.
Солі цієї кислоти утворюються при взаємодії ванадію з розплавом лугів:

4V + 12NaOH + 5O2 = 4Na3VO4 + 6Н20

Відомі його сполуки з усіма галогенами, а також нітриди, сульфіди, арсеніди і силіциди. Для техніки важливий високотверді і тугоплавкий карбід ванадію VC, нітрид VN,
а для виробництва сірчаної кислоти сульфат ванадила VOSO4.

Отримання і використання. Ванадій в земній корі більш поширений, ніж мідь, цинк або свинець, однак великі родовища його вкрай рідкісні. Отримують його при випалюванні поліметалічних руд (зазвичай у вигляді феррованадия), далі переводять в метал
відновленням кальцієм, вугіллям, воднем або іодідним способом. Головне застосування ванадію – отримання високоякісної сталі і сплавів.
Ванадій – елемент, активно бере участь в процесах, що відбуваються в живій природі. Він знаходиться в цілому ряді рослин, а зміст його у морських їжаків і голотурій досягає 10%. Про роль його в організмах існують дві гіпотези: один стверджує, що він бере участь у процесах дихання (як залізо в гемоглобіні), а згідно з іншою – ванадій насамперед бере участь у процесах харчування. Досліди по введенню ванадію в їжу тварин показали, що він благотворно впливає на апетит.

Посилання на основну публікацію