Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра общей химии

Расчетно-графическая работа

«Химия ванадия»

Вариант 7

Выполнил

Кинзябаев И.Р.

Проверил:

Беляева Л.С.

Уфа-2009

Оглавление

Введение

1. Историческая справка об элементе

2. Распространение в природе

3. Получение ванадия

4. Физические свойства

5. Химические свойства

6. Взаимодействие между металлами

7. Коррозия и защита от коррозии

8. Воздействие ванадия на воду

9. Применение в технике и в быту

Список использованной литературы

Введение

элемент ванадий химический металл

Ванадий -- блестящий, серебристый металл, в чистом виде мягкий. Устойчив к коррозии благодаря образованию защитной оксидной пленки. Реагирует с концентрированными кислотами, но не с расплавами щелочей. Применяется главным образом в сплавах легированных сталях.

При выветривании минералов земной коры, содержащих ванадий, соединения этого элемента отчасти удерживаются почвой, отчасти выносятся поверхностными водами в океан. Так, современные донные отложения Кольского залива и Каспийского моря содержат около 0,02% ванадия. Наличие его в некоторых железных рудах осадочного происхождения, нефти и каменном угле свидетельствует о большой биологической роли этого элемента для отдельных видов животных и растительных организмов минувших эпох. Некоторые современные растения и простейшие морские животные (асцидии, голотурии и др.) также избирательно извлекают ванадий из окружающей среды и накапливают его в своих организмах. Установлено, что ванадием богаты мухоморы. На организмы теплокровных животных растворимые соединения ванадия действуют как сильные яды.

Ванадий в промышленном масштабе стали применять лишь с начала XX в. до настоящего времени его основным потребителем (до 90%) является черная металлургия. Ванадий используют в производстве быстрорежущих, инструментальных и конструкционных сталей и чугунов. Благодаря его легирующим, раскисляющим и карбидообразующим свойствам повышается качество и эксплуатационные характеристики материалов. Ванадий применяют для получения сплавов на нежелезной основе (медно-вана-диевые, титано-ванадиевые сплавы, ванадиевые бронзы и др.). Большой интерес представляют ванадиевые сплавы с добавками вольфрама, ниобия, циркония и некоторых элементов, сверхпроводящие сплавы ванадия с галлием, кремнием, титаном и т. д. Перспективно использование чистого ванадия и его сплавов в ядерной энергетике, в ракето- и самолетостроении.

Соединения ванадия, обладающие ценными каталитическими, люминесцентными, полупроводниковыми и другими свойствами, находят все большее применение в химической, радиоэлектронной, лакокрасочной, керамической, текстильной промышленности, а также в других отраслях народного хозяйства.

1. Историческая справка об элементе

В начале XIX в. в Швеции были найдены новые богатые месторождения железной руды. Одна за другой сооружались доменные печи. Но что примечательно: при одинаковых условиях некоторые из них давали железо удивительной ковкости, в то время как из других получался более хрупкий металл. После многих безуспешных попыток наладить процесс выплавки высококачественного металла в «плохих» домнах металлурги обратились за помощью к химикам, и в 1830 г. Нильсу Сефстрему удалось выделить из шлака «лучших» домен неизвестный черный порошок. Сефстрем сделал вывод, что изумительную ковкость металлу придает присутствие в руде какого-то неизвестного элемента, содержащегося в черном порошке.

Этот новый элемент Сефстрем назвал ванадием в честь легендарной Ванадис - богини красоты древних скандинавов.

Открытие нового элемента всегда было большой честью для ученого. Поэтому можно представить себе огорчение мексиканского минералога Андреса Мануэля дель Рио, который еще в 1801 г. обнаружил в свинцовой руде никогда не встречавшийся прежде элемент и назвал его эритронием. Но, усомнившись в собственных выводах, дель Рио отказался от своего открытия, решив, что встретился с недавно открытым хромом.

Еще большее разочарование постигло блестящего немецкого химика Фридриха Вёлера. В те же годы, что и Сефстрему, ему довелось исследовать железные руды, привезенные из Мексики Л. Гумбольдтом. Те самые, что исследовал дель Рио. Вёлер тоже нашел в них что-то необычное, но его исследования прервала болезнь. Когда он возобновил работу, было уже поздно - Сефстрем обнародовал свое открытие. Свойства нового элемента совпадали с теми, что были занесены в один из лабораторных журналов Вёлера.

И только в 1869 г., спустя 39 лет после открытия Сефстрем а, элемент №23 впервые был выделен в относительно чистом виде. Английский химик Г. Роско, действуя водородом на хлористый ванадий, получил элементарный ванадий чистотой около 96%.

В чистом виде ванадий - ковкий металл светло-серого цвета. Он почти в полтора раза легче железа, плавится при температуре 1900±25 °C, а температура его кипения 3400°C. При комнатной температуре в сухом воздухе он довольно пассивен химически, но при высоких температурах легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами.

В соединениях ванадий проявляет четыре валентности. Известны соединения двух-, трех-, четырех- и пятивалентного ванадия.

2. Распространение в природе

Соединения ванадия довольно широко распространены в природе. Его содержание в земной коре составляет 0,009%. Вместе с тем, ванадийсодержащие минералы (ванадинит, чилеит, патронит, карнотит) в виде самостоятельных залежей не встречаются, а рассеяны в железных рудах (которые и являются важным источником промышленной добычи ванадия), в нефтяных месторождениях, в залежах асфальтов, битумов, горючих сланцев, углей (например, в Перу) и т.п. Поэтому ванадий относят к числу достаточно редких элементов. Чистый ванадий - химически стойкий металл. Он не подвержен воздействию воды, в том числе морской. Он также не реагирует с соляной и слабой серной кислотами, растворами щелочей. Растворяется в концентрированной серной кислоте, в плавиковой (фтористоводородной) и азотной кислотах, а также в "царской водке".

Еще в прошлом веке ванадии был впервые обнаружен в составе некоторых растений, после чего присутствие элемента №23 в углях, торфе и сланцах перестало казаться странным. Один из растительных «собирателей» ванадия хорошо знаком каждому - это ядовитый гриб бледная поганка.

В крови некоторых обитателей морей и океанов - морских ежей и голотурий содержание ванадия достигает 10%. Предполагается, что ванадий играет здесь ту же роль, что железо в гемоглобине. Но это утверждение - гипотетическое. Другие ученые придерживаются мнения, что роль ванадия в этом случае сравнима с ролью магния в хлорофилле, иными словами, ванадий, содержащийся в крови голотурий, участвует, прежде всего, в процессах питания, а не дыхания.

3. Получение ванадия

Из ванадийсодержащих руд (или их концентратов) ванадий извлекают либо непосредственным выщелачиванием растворами кислот и щелочей, либо выщелачиванием продукта окислительного обжига (в смеси с поваренной солью) водой или разбавленными кислотами. Из растворов путем гидролиза выделяют оксид ванадия (V) V₂O₅, который используют для выплавки феррованадия, а также производства металлического ванадия.

Ванадийсодержащие железные руды перерабатывают на сталь с получением ванадиевых шлаков. Шлаки подвергают обжигу в смеси с NaCl. Обожженный продукт выщелачивают водой, а затем слабыми сернокислыми растворами, после чего получают технический оксид ванадия (V).

Металлический ванадий получают либо непосредственным восстановлением оксида (V), либо в две стадии, т.е. сначала восстанавливают оксиды (V) до низшего оксида с использованием одного восстановителя, а затем низший оксид -- до металла другим восстановителем.

Существует ряд методов получения металлического ванадия: кальциетермический, при котором ковкий ванадий получают методом восстановления оксидов ванадия кальцием; алюминотермический, когда основным восстановителем металла является алюминий; метод вакуумного углетермического восстановления оксидов ванадия (использование углерода наиболее перспективно); хлоридный, при котором хлорид ванадия (VCl₃) восстанавливается жидким магнием.

Йодидный метод, заключающийся в диссоциации йодида (VI₂) и обеспечивающий получение ванадия наиболее высокой чистоты, однако этот метод пока может быть использован лишь для получения небольших количеств высокочистого металла.

Каждый из рассмотренных методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор того или иного метода определяется задачами в отношении качества конечного продукта, а также экономическими соображениями и возможностями осуществления самого процесса.

Черновой металл рафинируют электролизом в соляной ванне, переплавкой в индукционных, дуговых и электронно-лучевых печах, зонной плавкой в высоком вакууме (до чистоты 99,8-99,9%).

Ванадий металлический в кусках, получаемый алюминотермическим методом, по ТУ 48-4-520-90 должен содержать ?95,0 + 0,5% V, ?2,0% Al и ?0,3% Fe.

4. Физические свойства

Типы кристаллической решетки	Кубическая объемноцентрированная (ОЦК) с параметром 0,30282 нм. Энергия кристаллической решетки 503 мкДж/кмоль
Пластичность	Очень пластичен (легко вытягивается в нити) и прочен на разрыв. При загрязнении углеродом и водородом (соответственно карбидом и гидридом) металлический ванадий становится твердым и хрупким.
Плотность	Плотность 5,96 г/см
Температура кипения	3392°С
Температура плавления	1917°С
Твердость	Обладает твердостью 6 по шкале Мооса
Магнитная восприимчивость	При 298 К ч=+5,0*10-9
Магнитная индукция	При 301 К В=0,3/2,9 Тл
Теплопроводность	30,7 Вт/(м*К) при 300 К
Электропроводность	(Hg=1) 4
Электрическое сопротивление	24,8*10-8 Ом*м при 293 К
Оптические свойства	Спектральный коэффициент излучения ванадия е для длины волны 0,65 нм в зависимости от сотояния: Твердый 0,35 Жидкий 0,32 Окисленный твердый 0,7 Неокисленный при 1100-1700 К 0,4-0,37
	Интегральный коэффициент излучения для неокисленного ванадия при 1100-1600 К 0,052+1,05*10-4*Т, а при 1600-1700 К 0,113+0,67*10-4*Т
	Отражательная способность полированного поликристаллического ванадия: Л, мкм 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 n, % 83 88 92 93 94 95
	Показатель преломления n поликристаллического ванадия в зависимости от длины волны: Л, мкм 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 n 2,08 2,44 3,24 5,20 7,00
	Поглощательная способность ванадия(показатель поглащения ч): Л, мкм 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 х 6,43 8,81 11,5 16,8 20,2
	Коэффициент поглощения при длине волны 0,004 мкм (для пленки)б=0,9*107 м-1

Ванадий -- мономорфный голубовато-серый металл. Полиморфные превращения его при 1550 и --28 -= 38 °С не подтверждены более поздними исследованиями и связаны, по-видимому, с наличием примесей. Плотность ванадия чистотой 99,8--99,9% при 20 °С равна 6,11 г/см3, а температура плавления его 1919 °С. Загрязненный ванадий в зависимости от степени чистоты и способа получения металла может плавиться при температурах от 1900 до 1700 °С. Его удельное сопротивление при комнатной температуре колеблется в пределах от 22,6 до 35,8 мком-см. Магнитная восприимчивость ванадия чистотой 99,8%, отнесенная к единице массы, равна 5,00-10~6 э.м.е./г при 25 °С.

5. Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции V -- 2e = V²⁺, ц₀=-1,5 В.

В соединениях проявляет степень окисления от +2 до +5, наиболее стойки и типичны соединения со степенью окисления +5.

Электрохимический эквивалент ванадия 0,10560 мг/Кл.

Ванадий обладает высокой химической стойкостью в воде, водных растворах минеральных солей, разбавленной соляной кислоте и в растворах щелочей. На холоду на него действуют разбавленные азотная и серная кислоты. Плавиковая кислота, концентрированные азотная и серная кислоты, царская водка растворяют ванадий.

Ванадий отличается высокой химической стойкостью, при нормальных условиях инертен.

1. Взаимодействие с неметаллами

При температуре выше 600 °С взаимодействует с кислородом, образуя оксид ванадия (V):

4V + 5O₂ = 2V₂O₅,

Оксид ванадия (V) V₂O₅ получают нагреванием метаванадата аммония на воздухе, гидролизом VOCl₃, нагреванием на воздухе или в кислороде порошкообразного ванадия, низших его оксидов и карбида. V₂O₅ имеет две модификации: аморфную и кристаллическую. Водные растворы V₂O₅ имеют кислую реакцию, реагируя со щелочами, дают соли.

При горении ванадия на воздухе образуется оксид ванадия (IV):

V + O₂ = VO₂.

Оксид ванадия (IV) VO₂ -- вещество синего цвета, имеет кристаллическую решетку типа рутила. Амфотерное соединение, с преобладанием кислотных свойств. В воде не растворяется, реагирует с кислотами с образованием производных ванадила светло-синего цвета:

VO₂ + 2HCl = VOCl₂ + H₂O;

взаимодействует со щелочами, при этом образуются оксованадаты (IV) бурого цвета:

4VO₂ + 2KOH = K₂[V₄O₉] + H₂O.

При температуре выше 700°С реагирует с азотом с образованием нитрида:

2V + N₂ = 2VN.

При нагревании до 200--300 °С реагирует с галогенами. С фтором образует фторид ванадия (V): с йодом -- йодид ванадия (II):

2V + 5F₂ = 2VF₅,

с хлором -- хлорид ванадия (IV):

V + 2Cl₂ = VCl₄,

с йодом -- йодид ванадия (II):

V + I₂ = VI₂.

С углеродом при 800 °С образует карбид:

V + C = VC.

При спекании с бором и кремнием при высоких температурах образует борид и силицид:

V + 2B = VB₂,

3V + Si = V₃Si.

Реагирует с серой и фосфором при нагревании:

2V + 3S = V₂S₃, возможно образование VS и VS₂,

V + P = VP, возможно образование VP₂.

Технологическая переработка руд V довольно сложна. Для получения свободных элементов может быть использовано взаимодействие его оксида с металлическим кальцием по схеме:

Э₂О₅ + 5 Са = 5 СаО + 2 Э

Реакции начинаются при нагревании исходных смесей и протекают с большим выделением тепла (для ванадия -- 807 кДж/моль). Металл выделяется в виде ковких корольков.

Ванадий растворяется только в HF или в кислотах, являющихся одновременно сильными окислителями.

Отвечающий двухвалентному ванадию чёрный оксид VO образуется при нагревании V₂O₅ до 1700 °С в токе водорода. При неизменности кристаллической структуры [типа NaCl с d(VO) = 205 пм] состав его может довольно сильно отклоняться от строгого соответствия формуле VO (в пределах VO0,85 VO1,25). Оксид ванадия (II) довольно хорошо проводит электрический ток. Он нерастворим в воде, но растворяется в разбавленных кислотах, образуя соответствующие соли окрашенного в фиолетовый цвет катиона V²⁺. Последние являются исключительно сильными восстановителями и при отсутствии окислителей постепенно выделяют из воды газообразный водород. Действием щелочей на их растворы может быть получен серо-фиолетовый осадок V(OH)₂, не выделенный, однако, в чистом состоянии из-за его чрезвычайно лёгкой окисляемости.

Ванадийдихлорид VСl₂ может быть получен протекающей выше 500 °С дисмутацией по схеме:

2 VCl₃ = VCl₄ + VСl₂.

Его зелёные кристаллы плавятся лишь около 1350 °С, а фиолетовый водный раствор быстро зеленеет вследствие окисления V²⁺ до V³⁺. Восстановительные свойства VСl₂ выражены даже сильнее, чем у CrCl₂. Сходные свойства имеет коричневый бромид VBr₂ и красный иодид VI₂. Первый из них используется иногда в фотографии (как быстродействующий проявитель), второй -- для получения очень чистого ванадия (термическим разложением при 1400 °С). Бледно-зелёный VF₂ был выделен в виде сине-фиолетового кристаллогидрата VF₂·4H₂O. При сплавлении VСl₂ с KСl образуются KVCl₃ (т. пл. 946 °С) и менее устойчивый K₂VCl₄.

Сульфат двухвалентного ванадия образуется при восстановлении металлическим цинком (или электролитическим путём) сернокислых растворов соединений ванадия. При принятии особых мер предосторожности против окисления он может быть выделен в виде фиолетового кристаллогидрата VSO₄·7H₂O. С сернокислыми солями некоторых одновалентных металлов VSO₄ образует фиолетовые комплексные соли типа M₂[V(SO₄)₂]·6Н₂О. Последние сравнительно труднорастворимы и более устойчивы, чем сам сульфат двухвалентного ванадия.

2. Взаимодействие с кислотами

Ванадий находится в ряду напряжений металлов до водорода, но, благодаря своей прочной защитной пленке, довольно инертен, не растворяется в воде и разбавленной соляной кислоте, на холоду не реагирует с разбавленной серной и азотной кислотой.

Взаимодействие с водой:

V + 2H₂O = V(OH)₂ + H₂

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1.186В

2 HOH + 2e = H₂ + 2OH^- ц_ок =-0.413В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-2*96500*(-0.413 + 1.186)*10^-3 = -149.189 кДж/моль

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

ДG'=-zF(ц'_ок -- ц'_восст)= - zF([ц_ок -- з_ок] -- [ц_восст + з_восст])= - 2*96500*([-0.413 -- 0.6] -- [-1.186 + 0.35])= 34.161 кДж/моль

ДG'>0, т. е. есть кинетические затруднения для протекания реакции

Реагирует с плавиковой кислотой с образованием фторидного комплекса:

2V + 12HF = 2H₃[VF₆] + 3H₂;

V° --3 з = V³⁺ ц_восст = -1.186В

2Н⁺ + 2е = Н₂ ц_ок = -0,059В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-4*96500*(-0,059 + 1,186)*10^-3 =-217,511

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

с концентрированной азотной кислотой с образованием соединения ванадия (V) -- нитрата ванадина:

V + 4HNO₃(конц) = V(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O;

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1,1862

(N⁵⁺O₃)^- + 1e + 2H⁺ = NO₂ + H₂O ц_ок =0.78В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-2*96500*(0.78 +1,186)*10^-3 =-379,438В ДG° < 0,

реакция темодинамически вероятна

с разбавленной азотной кислотой:

3V + 8HNO₃(разб) = 3V(NO₃)₂ + 4NO₂ + 2NO;

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1.186В

(N⁵⁺O₃)^- + 3e + 4H⁺ = NO + 2H₂O ц_ок =1.116В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-4*96500*(1.116 + 1.186)*10^-3 = -1332.86 кДж/моль

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

с концентрированной серной кислотой с образованием соединения ванадия (IV) -- сульфата ванадила:

V + 2H₂SO₄ (конц)= VSO₄ + SO₂ + 2H₂O

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1,186В

(SO₄)^2- + 2e + 4H⁺ = SO₂ + 2H₂O ц_ок =0.17В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-2*96500*(0.17 + 1,186)*10^-3 = -261,708В

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

c разбавленной серной кислотой:

V + H₂SO₄ (разб)= VSO₄ + H₂

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1,186В

2Н⁺ + 2е = Н₂ ц_ок = -0,059В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-4*96500*(-0,059 + 1,186)*10^-3 =-217,511

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

ДG'=-zF(ц'_ок -- ц'_восст)= - zF([ц_ок -- з_ок] -- [ц_восст + з_восст ])= - 2*96500*([-0.059 -- 0.4] -- [-1.186 + 0.35])= -72.761

ДG'<0, т. е. кинетических затруднений для протекания реакции нет

С соляной кислотой:

V + HCl = VCl₂ + H₂

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1,186В

2Н⁺ + 2е = Н₂ ц_ок = -0,059В

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-4*96500*(-0,059 + 1,186)*10^-3 =-217,511

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

ДG'=-zF(ц'_ок -- ц'_восст)= - zF([ц_ок -- з_ок] -- [ц_восст + з_восст ])= - 2*96500*([-0.059 -- 0.4] -- [-1.186 + 0.35])= -72.761

ДG'<0, т. е. кинетических затруднений для протекания реакции нет

и царской водкой с образованием соединения ванадия (V) -- хлорида ванадина:

3V + 5HNO₃ + 3HCl = 3VO₂Cl + 5NO + 4H₂O;

растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:

3V + 21HF + 5HNO₃ = 3H₂[VF₇] + 5NO + 10H₂O,

3. Взаимодействие со щелочами

Ванадий не взаимодействует с растворами щелочей, в расплавах в присутствии воздуха окисляется с образованием ванадатов:

4V + 12KOH + 5O₂ = 4K₃VO₄ +6H₂O.

V + NaOH + H₂O = H₂ +

V° --2 з = V²⁺ ц_восст = -1.186

2 HOH + 2e = H₂ + 2OH^- ц_ок = - 0.59

ДG°=-zF(ц_ок -- ц_восст)=-4*96500*(-0.59 + 1.186)*10^-3 = -230.056 кДж/моль

ДG° < 0, реакция темодинамически вероятна

ДG'=-zF(ц'_ок -- ц'_восст)= - zF([ц_ок -- з_ок] -- [ц_восст + з_восст])= - 2*96500*([-0.59-- 0.5] -- [-1.186 + 0.35])= 49.022кДж/моль

ДG'>0, т. е. есть кинетические затруднения для протекания реакции

6. Взаимодействие между металлами

Диаграмма состояния системы железо -- ванадий изучена достаточно подробно.

При высоких температурах в сплавах этой системы существует непрерывный ряд твердых растворов между d-Fe и ванадием. Ликвидус имеет точку минимума при 31 % (по массе), или 33 % (ат) V, и 1468 °С.

В области эквиатомного состава в твердом состоянии обнаружена промежуточная фаза a (FeV). В дальнейшем показано, что эта фаза образуется в результате превращения в твердом состоянии при 1219 °С и 48% (ат.) V. Область ее гомогенности простирается от 37 до 57 % (ат.), или 35--55 % (по массе) V при 700 °С и от 39 до 54,7±1 % (ат.), или 37--52% (по массе) V при 1075 С. Выделению стабильной s-фазы (в результате старения а-твердого раствора при 600 °С) предшествует образование мета стабильно и упорядоченной фазы со структурой CsCl.

Диаграммы состояния. Железо - ванадий (Fe-V)

Соединение FeV в изоструктурной фазе а в системе железо -- хром, обладающей тетрагональной решеткой с 30 атомами в элементарной ячейке. Периоды решетки соединения: а=0,895 нм и с=0,462 нм; a/с=0,516. Периоды решетки а-фазы меняются от с=0,8865±0,0004 нм и с=0,4650±0,0007 нм в двухфазной области для сплава с 29,8% (ат.) V до а=0,9015±0,0004 нм и с=0,4642 + 0,0007 нм для сплава с 60 % (ат.) V.

Максимальная ширина области гомогенности у-фазы наблюдается при 1150 °С и достигает 1,28% (по массе), или 1,4% (ат-) V. Двухфазная область (а+у) простирается при этой температуре до 1,82 % (по массе), или 2% (ат.) V. Экспериментально и теоретически по термодинамическим данным определено положение у- и s-фаз при давлениях 100; 2000; 4000 и 5000 МПа в зависимости от температуры. С повышением давления расширяются температурный и концентрационный интервалы существования y-фазы, несколько повышается температура ее образования. Согласно термодинамическим расчетам, s-фаза стабильна до 1157 °С.

золото - ванадий (Au-V)

Диаграмма состояния Au--V построена методами металлографического и дифференциального термического анализов и путем измерения свойств. Диаграмма состояния относится к перитектическому типу. В твердом состоянии в системе образуются три промежуточные фазы. Растворимость Au в V при температуре перитектики 1385 °С доставляет 33±2% (ат.), при 1200°С - 15 % (ат.), при 800 °С (ат.). При понижении температуры в твердом растворе на основе V образуется фаза в с максимумом при 22±1 % (ат.) Au при температуре 1280±5 °С. Эвтектоидная точка имеет место при содержании 31 % (ат.) Au и температуре 1244±3 ^:С [1]. В работе [2] фаза в образуется по перитектической реакции при температуре 1520 °С. Область гомогенности фазы в находится в пределах 19,5±0,5 % (ат.) Au при 900 °С до 24±0,5 % (ат.) Au при 1244 °С Фаза в обладает структурой типа Cr₃Si. Этой фазе приписывается также формула V₃Au. Экстраполированное значение параметра кубической решетки для состава V₃Auа = 0,4884±0,0002 нм.

Растворимость V в Au при температуре перитектики составляет 61 ±1% (ат.), 58±2 % (ат.) при 1244 °С, 50±2 % (ат.) при 1000 °С.

Соединение VAu₂ образуется из твердого раствора на основе Au при температуре 735 °С [21, имеет базоцентрированную ромбическую решетку.

Соединение VAu₄ образуется из твердого раствора на основе An при температуре 565 °С. Оно обладает тетрагональной структурой. В сплавах Au₄V при упорядочении возникают существенные тетрагональные искажения исходной ГЦК-ячейки, на основе которой базируется сверхструктура.

титан - ванадий (Ti-V)

Первые исследования по диаграмме состояния Ti-V показали, что V является весьма активным в-стабилизатором, снижающим температуру б - в превращения Ti, а также несколько повышающим температуру начала плавления сплавов. Твердый раствор (вФi, V) при содержании 30-50 % (ат.) V не является стабильным и при длительных выдержках (300 ч) при 500 °С распадается на два изоморфных раствора на основе (вФi) и (V). Растворимость V в (бTi) носит ретроградный характер, достигая при 500-600 °С значений 3,7-3,8 % (ат.) V и снижаясь до 2,5 % (ат.) V при 400 °С. Экспериментально установлено существование в сплавах системы Ti-Vмонотектоидного превращения при 675 °С, температура критической точки кривой расслоения соответствует 850 °С, монотектоидная точка расположена при 18 % (ат.) V, максимальная растворимость V в (бTi) составляет 2,7 % (ат.), монотектоидная горизонталь простирается до 80 % (ат.). На кривой плавкости примерно при 34% (ат.) V наблюдается минимум при 1605 °С.

никель - ванадий (Ni-V)

Система Ni-V исследовалась в ряде работ с использованием методов дифференциального термического, металлографического и рентгеновского анализов. В системе установлено существование пяти соединений и наличие широких областей твердых растворов на основе компонентов.

Три соединения Ni_gV, Ni₃Vи Ni₂V образуются в области твердого раствора V в Niпри температурах 405, 1045 и 922 °С соответственно.

Соединение NiV₃ образуется по перитектоидной реакции (V) + б(ВТ)-NiV₃ при температуре 900 °С и концентрации 77,8 % (ат.) V.

Фаза у кристаллизуется по перитектической реакции Ж + (V) - у при температуре 1280 °С и концентрации 67 % (ат.) V и имеет широкую область гомогенности, простирающуюся от 55 до 75 % (ат.) V. Фаза у претерпевает полиморфное превращение, температура которого в зависимости от состава фазы у изменяется от -790 до 650 "С.

Эвтектическое равновесие Ж -(Ni) + у(ВФ) имеет место при температуре 1202 °С и концентрации 51 % (ат.) V.

хром-ванадий (Cr-V)

Сr и V образуют непрерывный ряд твердых растворов (V, Сr) с объемно центрированной кубической структурой. Параметр (а) кристаллической решетки твердого раствора (Сr, V) изменяется со слабым отклонением от правила Вегарда. Промежуточные фазы в системе не обнаружены. Данные различных исследований о положении линий ликвидуса и солидуса существенно различаются.

молибден-ванадий (Mo-V)

Взаимодействие Мо с V исследовалось рядом авторов. Микроструктурное и рентгеновское исследование и определение температур плавления сплавов, выплавленных из Мо чистотой 99,99 % (по массе) и V чистотой 99,4 % (по массе) показало, что Мо образует с V непрерывный ряд твердых растворов.

платина-ванадий (Pt-V)

Диаграмма состояния Pt-V построена на основании данных дифференциального термического, микро- и рентгеноструктурного анализов. Система характеризуется образованием четырех промежуточных фаз и широких областей ограниченных твердых растворов на основе исходных компонентов. При понижении температуры в твердом состоянии конгруэнтно образуются соединения Pt₃V, Pt₂Vи PtV при температурах -1015, 1100 и 1500 °С, между соединениями наблюдаются эвтектоидные равновесия: (Pt)- Pt₃V+ Pt₂Vпри температуре -970 °С; (Pt) -Pt₂V+ PtVпри -980 °С и 39 % (ат.) V; (Pt) - PtV+ PtV₃ при -1410 °С и 55 % (ат.) V.

Соединение PtV₃ кристаллизуется из расплава по перитектической реакции Ж + (V) -PtV₃ при температуре -1800 °С и концентрации 82 % (ат.) V. Область гомогенности PtV₃ располагается при концентрации -66-82 %(ат.) Упри температуре 1720 °С и -67-82% (ат.) V при 1410 °С. Кроме того, в литературе имеются данные об образовании в системе Pt-V мета стабильных фаз, которые, возможно, стабилизируются примесями внедрения. Между соединением Pt₃Vи [Pt] наблюдается эвтектическое равновесие при температуре -1720 °С и концентрации 63 % (ат.) V. Максимальная растворимость V в Ptпри температуре эвтектики составляет -57 % (ат.). Температуры плавления твердых растворов на основе [Pt] проходят через максимум при температуре -1805 °С и концентрации -27 % (ат.) V.

платина-ванадий (Pt-V)

В системе Sc-V при температуре 1410 °С и содержании 86 % (ат.) Scосуществляется эвтектическое превращение. Растворимость Scв (V) при температуре эвтектики составляет - 2 % (ат.), растворимость V в (вSc) в этих условиях равна 2 % (ат.).

При температуре 1300 °С происходит эвтектоидная реакция распада (вSc) на (уSc) и твердый раствор Scв V; растворимость Scв (V) и V в (бSc) при температуре эвтектоидного превращения составляет 0,3 % (ат.) и 0,5 % (ат.) соответственно.

7. Коррозия и защита от коррозии

Коррозией называется процесс разрушения металлов при их химическом, электрохимическом или биохимическом взаимодействии с окружающей средой. Иногда коррозией называют результат этого процесса. Процесс коррозии -- процесс самопроизвольный, он приводит к снижению свободной энергии вещества, т. е. к получению термодинамически более устойчивых по сравнению с исходным металлом соединений. Сам термин произошел от латинского corrosion -- разъединение.

Вред, наносимый коррозией, огромен. Только черных металлов разрушается до 10% от выпускаемого количества. Однако ущерб определяется не только чистым весом разрушенного металла, но и в значительно большей степени стоимостью тех конструкций, которые вышли из строя из-за подчас незначительного очага коррозии, а также стоимостью ремонта испорченного оборудования, нередко исключительно трудоемкого и дорогостоящего. В сумму ущерба от коррозии входит и стоимость всех мероприятий по борьбе с коррозией, включая применение многочисленных защитных покрытий, применение дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов и т. д.

Ванадий достаточно устойчив на воздухе при температурах, не превышающих 300 ⁰С. Взаимодействия его с азотом, кислородом и водородом усиливаются при 600-700 ⁰С. Ванадий устойчив к коррозии благодаря образованию оксидной пленки. Коррозионная стойкость ванадия:

Среда	Концентрация, % (по массе)	t, 0C	Скорость коррозии (потеря массы)	Условия проведения испытаний
			м2/(дм2*сут)	мм/год
HCl	10	70	36	0,214	Аэрация
	20	70	220-230	1,21-1,37
	20	70	275-720	1,64-4,28	Пропускание азота
H2SO4	37	20	130-180	0.77-1.07	То же
	10	70	30-38	0.18-0.23	Аэрация
	10	70	18	0,11	Пропускание азота
HNO3	10	tкип	150-180	0,89-1,07	-
	Разбавленная или концентрированная

8. Воздействие ванадия на воду

Источники. Основным источником поступления ванадия в подземные воды являются железные и полиметаллические руды, содержащие небольшую примесь ванадия, а также экологические факторы: сточные воды предприятий черной и цветной металлургии, добыча и переработка нефти, сжигание углеводородного топлива (например, выбросы автомобилей). Ванадий имеет свойство связываться с другими элементами и частицами и поэтому в основном задерживается в почве, где и остается длительное время. В растениях обнаруживаются только незначительные следы ванадия, что свидетельствует о его слабом накоплении в растительных тканях.

Влияние на качество воды. В воде ванадий образует устойчивые анионные комплексы (V₄O₁₂)^4- и (V₁₀O₂₆)^6-. В миграции ванадия существенна роль его растворенных комплексных соединений с органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами. Концентрация ванадия в природных водах ничтожна - сотые и тыс. доли мг/л. В таких количествах ванадий не оказывает сколь-нибудь значительного влияния на качество воды. Очевидно этот факт и является причиной того, что ни ВОЗ, ни USEPA, ни ЕС содержание ванадия в воде не нормируют. По российским нормам предельно допустимая концентрация ванадия для питьевой воды составляет 0.1 мг/л. Практически такие концентрации могут встречаться только при проникновении в подземные воды ванадийсодержащих сточных вод.

Пути поступления в организм. Основной источник поступления ванадия в организм - вдыхание частичек пыли, содержащих оксиды ванадия (например, на металлургическом производстве или вблизи объектов, на которых сжигаются содержащие ванадий нефтепродукты или уголь). Этот путь является и наиболее опасным с точки зрения негативного влияния на здоровье человека. Более "физиологичный" путь поступления ванадия в организм - с пищей (в сравнительно небольших количествах). К числу содержащих ванадий продуктов можно отнести (1 мкг% соответствует содержанию элемента в микрограммах на 100 грамм продукта): рис (400 мкг%), фасоль (190 мкг%), редис (185 мкг%), ячмень (172 мкг%), гречиха (170 мкг%), зеленый салат (170 мкг%), горох (150 мкг%), картофель (149 мкг%), а также ненасыщенные жиры и масла растительного происхождения, укроп, петрушку. Поступление с водой незначительно. Некоторые лекарства (например, антибиотики) также содержат ванадий.

Потенциальная опасность для здоровья. Наибольшему воздействию при вдыхании содержащей ванадий пыли подвержены легкие, бронхи, глаза. Рабочие, вдыхавшие такую пыль даже непродолжительное время жалуются на раздражение и хрипы в легких, кашель, боли в груди, насморк и першение в горле. Иногда наблюдается удушье, зеленоватый налет на языке и побледнение кожных покровов. Правда, эти признаки исчезают уже вскоре после прекращения вдыхания загрязненного воздуха. Аналогичные результаты были получены и на животных. По данным Агентства по учету токсических веществ и болезней других типов воздействия ванадия на организм человека не наблюдается. Данные об отрицательном влиянии ванадии при его поступлении с пищей или при кожном контакте отсутствуют. Тем не менее, опыты, проводившиеся на животных показали, что воздействие сверхвысоких доз ванадия приводит к смертельному исходу. У беременных животных, подвергавшихся воздействию несколько меньших доз наблюдались дефекты у новорожденных. У животных, долгое время вдыхавших или получавших с пищей значительные количества ванадия появлялись незначительные проблемы с печенью и почками. Следует отметить, что те дозы ванадия, которые использовались в опытах многократно превышают концентрации, имеющие место в природе. Департамент здравоохранения США (The Department of Health and Human services), Агентство по исследованию рака (International Agency for Research on Cancer) и Агентство по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency) не относят ванадий к числу канцерогенов. При исследовании животных, длительное время получавших повышенные дозы ванадия с водой, рост числа опухолевых заболеваний не выявлен. В российских источниках, правда, удалось обнаружить информацию о вредном воздействии ванадия.

Физиологическое значение. Суммируя различные источники, можно сказать, что ванадий - это микроэлемент, участвующий в регулировании углеводного обмена, сердечно-сосудистой деятельности (в частности, уменьшает выработку холестерина). Ванадий участвует также в процессах формирования костей и зубов, роста и метаболизма жиров, а также стимулирует рост и репродукцию клеток, действуя при этом как противораковое средство. Ванадий вместе с цирконием, сопутствуя серебру, благотворно действует на функции паренхиматозных органов (печень, селезенка, легкие), щитовидной и поджелудочной желез, гипофиза, половых органов, мышечной системы. Хотя дефицит ванадия у человека - редкое явление, однако у подопытных животных нехватка ванадия приводит к ухудшению роста зубов, костей, хрящей и мускулов, а также ослаблению функции размножения. Существуют также американские данные о том, что недостаток ванадия связан с развитием диабета. По крайней мере дефицит ванадия, наряду с недостатком хрома и цинка, является одним из важнейших индикаторов симптомов диабета. Депонируется ванадий в основном в костных и жировых тканях. Уровень суточной потребности организма человека в ванадии не установлен, но по экспертным оценкам составляет около 2 мг в день.

9. Применение в технике и в быту

Основная область применения ванадия -- черная металлургия, где его широко используют в виде феррованадия для получения сталей специального назначения. При введении в сталь 0,15-0,25% V резко повышаются ее прочность, вязкость, сопротивление усталости и износостойкость. Ванадий -- сильный раскислитель стали и карбидообразующей элемент, способствующий измельчению структуры стали и чугуна, а также замедлению роста зерна при нагреве.

Ванадий используется также в производстве сплавов на основе титана и на основе других тугоплавких металлов, предназначенных для новой техники (авиационной, ракетной, ядерной энергетики). В частности, для реакторостроения ванадий представляет особый интерес, поскольку обладает малым эффективным поперечным сечением захвата нейтронов и одновременно обладает достаточно высокими свойствами при повышенных температурах. Добавки ванадия в алюминивые сплавы улучшают их жаропрочность и свариваемость. Ванадий применяют как промежуточный материал (прослойка) при плакировании стали и тугоплавких металлов титановыми, циркониевыми сплавами, а также сплавами благородных металлов. Благодаря высокой коррозионной стойкости в агрессивных химических средах ванадий является перспективным материалом для химического машиностроения и др. Чистый металлический ванадий используют, кроме того, в производстве электронных приборов, отдельных деталей рентгеновской аппаратуры и т. д. Ванадий служит основной сверхпроводящих сплавов и других сплавов со специальными свойствами.

Соединения ванадия находят применение во многих областях промышленности, в частности в химической -- как катализаторы, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, в сельском хозяйстве, медицине и др. 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.

Ванадий был обнаружен и количественно определен как постоянный фактор в растительных и животных тканях и органах; этот элемент, присутствуя в ничтожных количествах, играет крайне важную роль в жизненных процессах. В крови асцидий ванадий играет роль, аналогичную железу в гемоглобине. Некоторые фармацевтические препараты, содержащие малые количества различных соединений ванадия, в прошлом применялись для лечения сифилиса, туберкулеза и анемии. В настоящее время соли ванадия применяются как инсектициды, фунгициды и дезинфицирующие средства.

Список использованной литературы

1. Аналитическая химия ванадия / В.Н. Музгин, Л.Б. Хамзиеа, В.Л. Золотавин, И.Я. Безруков; Ин-т геохимии и аналитической химии.-- М.: Наука, 1981.

2. О.А. Сонгина, «Редкие металлы», издательство «Металлургиздатель», 1951 г.

3. В.В. Фолов, «Учебное пособие для машиностроительных специальностей вузов», издательство «….», 3-е издание, 1986 г.

4. Диаграмма состояния двойных металлических систем: Справочник: в 3 т.: т. 3 кн. 2/ под общ. Ред. Н.П. Лякишева -- М: Машиностроение, 2001 г., 448 стр.

5. http://www.markmet.ru/content/diagrammy-splavov

6. Киффер Р. Ванадий,ниобий,тантал.(Металлургия чистых металлов и их сплавов / Пер.с нем. Р.С. Минц. Под ред. Е.М. Савицкого.-- М.: Металлургия, 1968.-- 312с. : ил.; 22см. -- Библиогр.:

7. Голиков И.Н. Ванадий в стали.-- М. : Металлургия, 1968.-- 291с.; 22см. -- Библиогр.:

Размещено на Allbest.ru

...