Химический элемент ванадий

Размещено на http://www.allbest.ru/

История открытия

1. История открытия

Ванадий как примесь в составе свинцовой руды рудника в Зимапане был открыт испанским минерологом А. М. Дель Рио в 1801 году. Дель Рио назвал новый элемент эритронием («erythros» - от греческого «красный»), т.к. его соединения имели красный цвет. Вот как всемирно известный шведский ученый-химик Берцелиус описывает историю открытия элемента ванадий.

«В давние времена далеко на севере жила чудесная Ванадис, всеми любимая прекрасная богиня. Однажды в ее дверь кто-то постучал. Но богиня сначала не отреагировала, т.к. очень удобно устроилась в кресле. Но стук не повторился, и кто-то отошел от двери. Ванадис стало интересно, что же это за такой скромный посетитель? Богиня открыла окно и взглянула на улицу. Незнакомцем оказался некто Вёлер, который быстро удалялся от ее замка. Спустя несколько дней все повторилось, кто-то снова постучал в дверь, но теперь стук не утихал до тех пор, пока Богиня не подошла и не открыла двери. Перед ней оказался красивый молодец Нильс Сёвстрем. Почти сразу они полюбили друг друга, и через какое-то время у них родился сын, которого они назвали Ванадий. Так и был назван тот совершенно новый металл, найденный в 1831 году шведским ученым химиком и физиком Нильсом Сёвстремом».

Но в данной легенде есть одна неточность. Первым, кто постучал в дверь богине был минералог Андрее Мануэль дель Рио, а не немецкий ученый Вёлер. И сначала испанский ученый назвал элемент «панхромом» («всецветный»), т.к. соединения этого нового металла были окрашены в самые разные цвета, и только затем сменил название на «эритроний», т.е. «красный.

Но дель Рио не смог научно доказать свою находку. Более того, спустя год после открытия он подумал, что новый элемент - это ничто иное, как хром, открытый немногим ранее. Точно такую же ошибку совершил и немецкий ученый Вёлер, «скромный посетитель», который слишком мало стучал в дверь богини Ванадис.

Только через почти тридцать лет состоялось настоящее рождение ванадия. Отцом основателем данного химического элемента и нового металла считается молодой ученый из Швеции Нильс Сёвстрем. В то время на родине Сёвстрема как раз начала развиваться металлургия. Заводы появлялись в разных концах страны. Было замечено, что металл, который выплавляли из одних руд, получался хрупким, а металл, выплавленный из других - достаточно пластичным. И не для кого не было понятно, в чем тут подвох. Нильс Сёвстрем решил попробовал найти ответ.

В процессе исследования химического состава руд, из которых получался высококачественный металл, Сёвстрем после проведения многих опытов доказал, что в таких рудах содержится элемент, который в свое время обнаружил дель Рио и ошибочно принял за хром. Новый металл назвали ванадием.

Ни Вёлеру, ни дель Рио не было суждено стать «отцами основателями» нового химического элемента, хоть они и были к этому близки. После успеха шведского ученого немец Вёлер написал своему другу: «Я был просто ослом, как я мог проглядеть новый элемент в этой бурой свинцовой руде? Все-таки Берцелиус был прав, когда так иронично описывал мою слабую неудачную попытку постучаться в дворец богини Ванадис.

На территории России ванадий впервые нашли в 1834 году на Урале в свинцовой руде Березовского рудника. В 1839 году ванадий был найден в пермских песчаниках. Уже в то далекое время инженер Шубин высказывал мнение о благотворном влиянии примеси ванадия на качество медных и железных сплавов. Он писал, что черная медь, гаркупфер, штыковая медь и медистый чугун составляют сплавы с ванадием, и, что, вероятнее всего, именно присутствие ванадия дает им такую прочность.

Спустя еще много лет никто не мог в чистом виде выделить ванадий. Лишь в 1869 г. англичанин Генри Роско после долгих поисков сумел выделить чистый металлический ванадий. Но лишь в те времена его можно было считать чистым, т.к. содержание посторонних примесей находилось в районе 4%. Даже такая доля способна существенно изменить свойства металла. Чистый ванадий представляет собой серебристо-серый металл, обладает высокой пластичностью, поддается ковке.

2. Нахождение в природе

Ванадий довольно часто встречается в недрах земли в качестве составной части титаномагнетитовых руд, реже дефицитный металл можно встретить в фосфоритах, еще реже в составе урансодержащих алевролитов и песчаников, концентрация ванадия в данных природных образованиях не превышает 2-х процентов. Главными рудными минералами в месторождениях ванадия являются ванадиевый мусковит-роскоэлит и карнотит. В бокситах, бурых углях, тяжелых нефтях, а также в битуминозных песках и сланцах также иногда могут присутствовать довольно значительные доли редкого металла.

Самые высокие показатели среднего содержания ванадия в породах магматического типа были отмечены в базальтах и габбо. Примерное значение концентрации в данных породах колеблется от 230 до 290 грамм на тонну веса. Среди осадочных пород ванадий наиболее часто можно встретить в биолитах (асфальтиты, угли и др.), бокситах и железных рудах. За счет близости ионных радиусов ванадия с распространенными в магматических породах железом и титаном, в гипогенных процессах ванадий всегда остается в рассеянном состоянии, именно поэтому металл не образует собственных минералов. Носители ванадия - это многочисленные минералы слюды, титана (сфен, ильменит, рутил, титаномагнетит), гранаты и пироксены, которые обладают повышенной изоморфной ёмкостью в отношении ванадия.

Как правило, ванадий добывается в виде побочного продукта при извлечении и переработке из минерального сырья других полезных веществ. К примеру, очень часто ванадий получают из титановых шлаков в процессе переработки титаномагнетитовых концентратов, иногда из золы после сжигания нефти, угля и других горючих ископаемых.

Производителями ванадия в мировом масштабе выступают такие государства, как Южно-Африканская республика, Соединенные Штаты Америки, Российская федерация (где основные разработки дефицитного металла расположены в районе Уральского хребта), а также Финляндия. Если судить о количестве ванадия по его учтенным запасам, лидирующие места на глобальном уровне занимают такие страны, как ЮАР, Россия и Австралия.

Интересно заметить, что хотя доля ванадия в земной коре довольно существенна и составляет около 0,2 процентов (что в 15 раз превышает количество свинца и в 2000 раз превышает суммарное количество серебра), металл, как ни странно, относят к разряду дефицитных, потому что его скопления встречаются довольно редко. Если какая-либо руда содержит в своем составе хотя бы один процент ванадия, она сразу считается очень обогащенной. В промышленной переработке зачастую встречаются случаи, когда ванадий добывают из руды с концентрацией ценного металла всего в 0,1 процента от общей массы.

Содержание ванадия, как химического элемента, в земной коре нашей планеты составляет 1,6*10-2%, в воде всех мировых океанов около 3*10-7%. Важнейшими минералами, которые представляют собой соединениями ванадия, являются ванадинит Pb5(VO4)3Cl, патронит V(S2)2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.

3. Получение

Для извлечения Ванадий применяют: непосредственное выщелачивание руды или рудного концентрата растворами кислот и щелочей; обжиг исходного сырья (часто с добавками NaCl) с последующим выщелачиванием продукта обжига водой или разбавленными кислотами. Из растворов методом гидролиза (при рН = 1-3) выделяют гидратированный оксид Ванадия (V). При плавке ванадийсодержащих железных руд в домне Ванадий переходит в чугун, при переработке которого в сталь получают шлаки, содержащие 10-16% V2O5. Ванадиевые шлаки подвергают обжигу с поваренной солью. Обожженный материал выщелачивают водой, а затем разбавленной серной кислотой. Из растворов выделяют V2O5. Последний служит для выплавки феррованадия (сплавы железа с 35-70% Ванадий) и получения металлического Ванадия и его соединений. Ковкий металлический Ванадий получают, кальциетермическим восстановлением чистого V2O5 или V2O3; восстановлением V2O5 алюминием; вакуумным углетермическим восстановлением V2O3; магниетермическим восстановлением VCl3; термической диссоциацией иодида Ванадия. Плавят Ванадий в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом и в электроннолучевых печах. ванадий минеральный сырье плавка

4. Физические свойства

По своему внешнему виду ванадий, как металл, очень похож на сталь. Ванадий сам по себе достаточно твердый, но вместе с тем он обладает хорошей пластичностью.

Теперь давайте рассмотрим физические свойства ванадия в конкретных цифрах. Объемно-центрированная кубическая решетка ванадия имеет период a=3,0282. Ванадий в чистом виде довольно хорошо поддается ковке, металл можно легко подвергать обработке под давлением. Плотность ванадия как вещества составляет 6,11 грамм на сантиметр кубический. Температура плавления металла равна 1900 градусам по Цельсию, температура кипения составляет 3400 градуса по Цельсию. Удельная теплоемкость ванадия при температуре от 20 до 100 градусов по Цельсию равна 0,120 кал/гград. Металл имеет термический коэффициент линейного расширения равный 10,6·10-6 град-1, при температуре от 20 до 1000 градусов Цельсия. Ванадий имеет удельное электрическое сопротивление 24,8·10-6 ом·см (24,8·10-8 ом·м) при температуре 20 градусов по Цельсию. Ниже тока в 4,5 кВ металл переходит в состояние сверхпроводимости.

Ванадий высокой чистоты после процедуры отжига имеет следующие механические свойства: значение модуля упругости составляет 13520 кгс/мм2 (135,25 н/м2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм2 (120 нм/м2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм2 (700 мн/м2). Ванадий часто имеет примеси других элементов, в частности газов. Примеси газов в составе ванадия воздействуют на металл не самым лучшим образом. Они снижают пластичность металла, в то же врем, делая ванадий еще более твердым и хрупким.

Ванадий, встречающийся в природе, является смесью, состоящей из двух нуклидов: стабильного нуклида 51V, который составляет 99,76% по массе, и слабо радиоактивного нуклида 52V, период полураспада которого равен более чем 3,9·1017 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s2p6d34s2. В периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева химический элемент ванадий расположен в четвертом периоде в группе VВ. Ванадий способен образовывать соединения в степени окисления от + 2 до + и в валентности от II до V.

Радиус нейтрального атома химического элемента ванадий составляет 0,134 нм, радиус его ионов равен V5+ -- 0,050-0,068 нм, V4+ -- 0,067-0,086 нм, V3+ -- 0,078 нм, V2+ -- 0,093 нм. Энергии последовательной ионизации атома химического элемента ванадий характеризуются значениями 6.74; 14.65; 29.31; 48.6 и 65.2 эВ. Электроотрицательность ванадия по шкале Полинга составляет 1,63.

5. Электронное строение атома

Электронная формула химического элемента ванадия -1s 22s 22p 63s 23p64s 23d3

Ванамдий -- 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.

Ванадий - d-элемент. Валентные электроны атома ванадия имеют электронную конфигурацию 3d34s2. В соединениях ванадий проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5. Соединения ванадия (II) проявляют преимущественно основные свойства, ванадия (III) и (IV) - амфотерные, соединения ванадия (V) - кислотные.

У ванадия пять валентных электронов - два на 4s-подуровне и три на 3d-подуровне. Их квантовые числа равны:

электроны 4s-подуровня

n=4, l=0, ml=0, ms=+1/2;

n=4, l=0, ml=0, ms=-1/2;

электроны 3d-подуровня

n=3, l=2, ml=+2, ms=+1/2;

n=3, l=2, ml=+1, ms=+1/2;

n=3, l=2, ml=0, ms=+1/2.

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.

Высшая степень окисления равна +5,но для ванадия характерны степени окисления +4,+3,+2. Его выший оксид проявляет кислотные свойства, ему соответствует ванадиевая ортокислота V2O5 - H3VO4. Низший оксид VO проявляет основные свойства.

Ванадий V - d элемент. У него заполняется d-подуровень 3 энергетического уровня. Его электронная формула [Ar]3d34s2. Исходя из этой конфигурации атома ванадий может проявлять валентность III и V.

Размещено на Allbest.ru