Ванадий – полезные свойства и особенности металла

Внешне этот металл неотличим от большинства собратьев, но его оксиды подобны радуге. Ванадий «помогает» создавать порох, улучшает свойства стали, изничтожает вредителей сельхозкультур.

Содержание

  1. Что представляет собой
  2. История открытия
  3. Физико-химические характеристики
  4. Нахождение в природе
  5. Технология получения
  6. Области применения
  7. Металлургия
  8. Другие отрасли промышленности
  9. ВПК
  10. Цены
  11. Значение для человека
  12. Что представляет собой

    Ванадий – это серебристо-серый металл, внешне напоминающий сталь.

    Причислен к группе тугоплавких металлов. По некоторым классификациям считается тяжелым металлом.

    Химический элемент системы Менделеева №23, международное обозначение – V, Vanadium.

    Вещество наделено прочностью, пластичностью.

    История открытия

    История открытия металла «многосерийная»:

    • Первым (1801 год) его обнаружил, исследуя свинцовое сырье, мексиканский минералог Мануэль Дель Рио. Однако европейцы-химики не поверили в открытие. Под их напором Дель Рио и сам начал сомневаться. И озвучил новую версию: это был хромат свинца.
    • Через почти 30 лет его «переоткрыл» Нильс Сефстрем. Шведский химик обнаружил новое вещество, исследуя железную руду.
    • Одним из «отцов» считается Фридрих Велер. Он изучал то же мексиканское сырье, но из-за болезни прервал работу. Зато позднее поставил точку, доказав, что в составе руды был таки ванадий. Тем самым подтвердил приоритет Дель Рио.

    Название тоже подобралось не сразу:

    • Первооткрыватель Мануэль Дель Рио, подивившись разнообразию колористики вещества, предложил название «панхромий». Второй вариант – «эритроний».
    • Красоту окраски нового элемента оценили и Иенс Берцелиус с Сефстремом. Скандинавы ожидаемо предложили свой вариант – по имени богини скандинавского пантеона Фрейи (аналог греческой Венеры). На древнескандинавском оно звучит как Ванадис.

    Отдать должное первооткрывателю Дель Рио попытался геолог Джордж Фезерстонхау.

    Он предложил переименовать элемент «», но поддержки не нашел.

    Физико-химические характеристики

    Металл равнодушен к воздействию воздуха, воды, щелочных растворов. Такая инертность «роднит» благородные газы (аргон, ксенон, гелий, криптон) с ванадием.

    Основные свойства металла:

    • Растворяется царской водкой, плавиковой кислотой, горячими концентрированными азотной, серной кислотами.
    • Пластичен, порог появления хрупкости – +300°C.
    • Хрупким металл делают примеси азота, кислорода, водорода.
    • Соединения вещества токсичны.

    Известны следующие оксиды ванадия:

    Систематическое наименование Хим. формула Плотность, г/см³ Температура плавления, °C Температура кипения, °C Молярная масса, г/моль Цвет
    Оксид ванадия(II) VO 5,76 ~1830 3100 66,94 Чёрный
    Оксид ванадия(III) V2O3 4,87 1967 3000 149,88 Чёрный
    Оксид ванадия(IV) VO2 4,571 г/см³ 1542 2700 82,94 Тёмно-голубой
    Оксид ванадия(V) V2O5 3,357 670 2030 181,88 Красно-жёлтый

    Это типичный переходный металл: наделен переменными степенями окисления, образует комплексные соединения. Зарегистрировано 84 соединения ванадия, основные – оксиды, ванадаты, сульфиды.

    Свойства атома Название, символ, номер Атомная масса
    (молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
    (первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Параметры решётки Температура Дебая Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS
    Вана́дий / Vanadium (V), 23
    50,9415(1) а. е. м. (г/моль)
    [Ar] 3d3 4s2
    134 пм
    122 пм
    (+5e)59 (+3e)74 пм
    1,63 (шкала Полинга)
    5, 4, 3, 2, 0
     650,1 (6,74) кДж/моль (эВ)
    6,11 г/см³
    2160 К (1887 °C)
    3650 К (3377 °C)
    17,5 кДж/моль
    460 кДж/моль
    24,95 Дж/(K·моль)
    8,35 см³/моль
    кубическая
    объёмноцентрированная
    3,024 Å
    390 K
    (300 K) 30,7 Вт/(м·К)
    7440-62-2

    Оксиды металла разной валентности отличаются по цвету: черный (II III), глубокий голубой (IV), оранжевый (V).

    Нахождение в природе

    Металл не относится к редким элементам: на планете он 20-й по распространенности.

    Каждая тонна земной коры содержит в среднем 260 г ванадия.

    Это рассеянный элемент, в свободном виде в природе не представленный:

    • Главный источник ванадия как металла – магматические породы (базальты, габбро), бокситы, железные руды.
    • Его соединения зафиксированы в океанской воде. Из нее металл извлекают, например, японцы.
    • Самый экзотичный источник металла – асцидии. Эти морские обитатели высасывают металл прямо из воды.

    РЭМ изображение кристаллов ванадия, полученных методом электролиза

    Их выращивание поставлено на поток в той же Японии. Плантации разбивают на побережье, собранный «урожай» сушат, сжигают.

    Зола асцидий богаче ванадием, чем большинство земных месторождений.

    Технология получения

    Основной поставщик вещества – железные руды с примесью ванадия.

    Металлический продукт получают несколькими способами:

    • Термовосстановление оксида из карбонатов, соединений кальция, магния.
    • Термическое разложение иодида ванадия.

    Высокой чистоты (95-99%) продукта добиваются рафинированием. Для этого задействуется электролиз расплава галогенидов вещества и вакуумная плавка.

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

    Российскими учеными созданы наногабаритные модификации оксида ванадия.

    Области применения

    Свойства ванадия обусловили его востребованность гражданским и военным промышленным комплексом.

    Металлургия

    90% сырья забирает металлургия. Здесь главный способ применения ванадия – как добавки-лигатуры к сталям:

    • Благодаря ему стали, титановые сплавы делаются прочнее, вязче, эластичнее, устойчивее к износу, коррозии, жару.

    Достоинства сталей с ванадием оценил «отец» американского автопрома Генри Форд в начале XX века.

    • Продукция представлена прокатом (прутки, проволока, лист, трубка), слитками, порошком.

    Российская номенклатура сталей предусматривает маркировку ванадия в их составе буквой Ф.

    • Есть варианты с покрытием для регионов с экстремальным климатом.

    Самые востребованные соединения металла – сплавы с титаном и хромом. Из последнего выполняют ручной инструмент (например, гаечные ключи, ножи).

    Хром в сплавах понижает токсичность ванадия.

    Другие отрасли промышленности

    Металл, сплавы используются в широком ассортименте операций и изделий:

    • двигатели самолетов, ракет, другой космической техники;
    • постоянные магниты;
    • литиевые батареи, аккумуляторы;
    • крекинг нефти.

    Также применяется атомно-водородной энергетикой (ядерные реакторы), как химический источник тока.

    Это стойкий пигмент для лаков, красок, керамики, текстиля, стекла.

    Одной массовой части пятиокиси ванадия достаточно для яркой окраски 200 тысяч частей бесцветной анилиновой соли.

    ВПК

    Соединения металла – катализатор при производстве серной кислоты.

    Она – исходник для создания нитроклетчатки. А нитроклетчатка – основной компонент пороха.

    В «пороховом» сегменте ванадий вытеснил элитную платину.

    Цены

    Ванадиевые месторождения есть в нескольких странах, включая Россию и США. Однако половина мирового производства сосредоточена в Китае.

    Он и диктует цены. Особенность ценообразования – учет вида продукции.

    Самые дорогие позиции – пруток и прокат ванадия ($1800-2000/кг). Слитки на порядок дешевле, на два порядка – оксид, другие соединения.

    Значение для человека

    В организме человека металл аккумулируется костной и жировой тканями.

    Суточная потребность человека в ванадии – 10-60 мкг, в зависимости от возраста и массы тела.

    Как правило, она обеспечивается продуктами питания.

    Металлом богаты разные пищевые группы:

    • крупы – гречка, неочищенный рис;
    • бобовые – горох, фасоль;
    • злаки – пшеница, рожь, овес, ячмень;
    • овощи – картофель, свекла, морковь, редис, салат;
    • фрукты, ягоды – вишня, груша, земляника.

    Металл участвует в регулировании липидного, углеводного обмена, выработке энергии. Активирует кровь, растворяет «плохой» холестерин.

    Токсичен переизбыток вещества. Это фактор риска для работников металлургических предприятий.

    Организм человека средней комплекции (68-72 кг) содержит 0,0001 г ванадия. Отравление вызывает ее двойное превышение. Смертельная доза – 0,002-0,004 г.

    Источник: jgems.ru

    Читайте также  Блюда из картошки — 10 вкусных рецептов
Mila Vitsa