Химический элемент ванадий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химический элемент ванадий

Введение

Ванадий - химический элемент с атомным номером 23. Принадлежит к 5-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе V группы, или к группе VB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 50,9415(1) а. е. м.. Обозначается символом V (от лат. Vanadium). Простое вещество ванадий - пластичный металл серебристо-серого цвета.

История открытия

Ванадий был открыт в 1801 году 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. Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-сканд. Vanadнs - дочь Ванов; Ванадис).

Местонахождение ванадия в России

Важнейшие провинции эндогенных месторождений ванадия в России:

1. восточного склона Урала (Гусевогорское, Качканарское, Первоуральское и др. месторождения)

2. западного склона Урала (Кусинское, Медведевское, Маткальское, Копанское)

3. Карело-Кольская (Пудожгорское, Елеть Озеро и др.)

4. Кузнецко-Саянская (Лысаковское, Кедранское и др.)

5. Восточно-Забайкальская (Кручининское и др.)

6. Сибирская трапповая (Камышевский Байкитик и др.)

Количество ванадия в земной коре

По запасам в земной коре ванадий находится в IV декаде Вернадского (10в-2--10в-1 % вес.), в которую входят также марганец, хром и медь. Как видно из табл. 2, по среднему содержанию в литосфере ванадий превосходит никель, цинк и кобальт. Несмотря на относительно высокую распространенность, ванадий, вследствие химической подвижности его атома и легкой растворимости многих соединений в слабых растворах кислот и оснований, а также в воде, рассеян в горных породах и крайне редко образует высококонцентрированные руды. Обилие ванадиевых минералов в природе объясняется переменной валентностью ванадия с проявлением то металлических, то металлоидных свойств, способностью к образованию многих радикалов и комплексных соединений. Главная масса находящегося в литосфере ванадия заключена в изверженных породах, где ванадий, вследствие близости размеров ионных радиусов V3+ и Fe3+, находится преимущественно в железных рудах. В месторождениях этого типа ванадий не образует самостоятельных минералов, а находится в рассеянных концентрациях в виде трехвалентного катиона, изоморфно замещая трехвалентный катион железа. Известно большое количество как магматических, так и осадочных железных руд, содержащих ванадий. В некоторых магматических рудах концентрация ванадия достигает 1% V2O5, а в осадочных находится обычно в пределах сотых долей процента. Магматические ванадийсодержащие железные руды обычно представляют собой титаномагнетиты, в которых ванадий изоморфно замещает железо в решетке магнетита, частично входит в ильменит и находится также в роговой обманке. Подавляющая часть присутствующего в этих рудах ванадия входит в состав магнетита, что связано со свойственной ванадию склонностью к шпинелеобразованию, ярко проявляющейся также в ванадиевых шлаках. Этим, по-видимому, объясняется и более высокая концентрация ванадия в магнетитовых железных рудах по сравнению с гематитовыми.

Получение

Важным промышленным источником пластичного металла выступают три вида руд: железные; титаномагнетитовые; медно-свинцово-цинковые. Дополнительные источники ванадия - это ранее перечисленные минералы, а также урановое сырье, горючие сланцы. Во втором случае, металл выступает побочным продуктом, получаемым в результате переработки основного сырья. Существует несколько способов извлечения ванадия, суть которых сводится к получению окислов металла.

1. Выщелачивание руды, водными растворами, кислотами. Предварительно, исходное сырье отжигают. На следующей стадии выполняют выщелачивание основой или кислотной средой. Последний этап состоит в выделении гидратированного оксида ванадия из растворов методом гидролиза.

2. Железные или другие ванадийсодержащие руды плавят в домне. Процесс характеризуется переходом V в чугун. Переработка черного металла в сталь сопровождается образованием шлаков, содержащих до 16% пентоксида ванадия. Выделение пятиокиси происходит в два этапа. Предварительно, шлаки обжигают с поваренной солью. Далее, полученный продукт выщелачивают: вначале водой, после разбавленной серной кислотой. Результирующий продукт - V2O5 используется для получения металлического ванадия или его сплавов с железом. Феррованадий характеризуется широкой вариацией V в соединении от 35 до 70%.

Применение

Ванадий в основном используется как легирующая добавка при получении износоустойчивых, жаропрочных и коррозионностойких сплавов (прежде всего, специальных сталей), как компонент при получении магнитов.

Чёрная металлургия - основной потребитель ванадия (до 95% всего производимого металла). Ванадий входит в состав быстрорежущей стали, её заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% ванадия резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. Ванадий, введённый в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды В., распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. Ванадий в сталь вводят в форме лигатурного сплава - феррованадия. Применяют ванадий и для легирования чугуна. Новым потребителем ванадия выступает быстро развивающаяся промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% ванадия. В авиационной, ракетной и др. областях техники нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки ванадия. Разрабатываются различные по составу жаропрочные и коррозионностойкие сплавы на основе ванадия с добавлением Ti, Nb, W, Zr и Al, применение которых ожидается в авиационной, ракетной и атомной технике. Интересны сверхпроводящие сплавы и соединения ванадия с Ga, Si и Ti. Чистый металлический ванадий используют в атомной энергетике (оболочки для тепловыделяющих элементов, трубы) и в производстве электронных приборов. Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике(ванадий-хлоридный цикл "Дженерал Моторс", США). Оксид ванадия V2O5 служит эффективным катализатором, например, при окислении сернистого газа SO2 в серный газ SO3 при производстве серной кислоты. Соединения ванадия находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности (текстильной, стекольной, лакокрасочной и др.). Пятиокись ванадия широко применяется в качестве положительного электрода(катода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

Физические свойства

Ванадий - пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмно-центрированная, a=3,024 Е, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/смі. 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.

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, VOF3и др.).

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. ванадий химический металл

При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются ванадаты - соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

Технологические свойства

Ванадий относится к тугоплавким металлам, с соответствующим температурным пределом - 1887 0С. Это объясняет его низкую жаростойкость - свойство, характерное для переходных элементов, вследствие рыхлости оксидов, формируемых на их основе. Ванадий устойчив к деформации ползучести вплоть до температуры 675 0С, чему способствует пятиокись ванадия. Пленка этого соединения образуется при окислении металла, сохраняя прочную связь с его поверхностью до указанного температурного предела.

Список литературы

1. http://www.mining-enc.ru/v/vanadievye-rudy

2. http://metal-archive.ru/vanadiy/951-rudy-vanadiya.html

3. https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Ванадий

4. http://xlom.ru/spravochnik/vanadij-opisanie-primenenie-cena-vanadiya-za-kg/#1

5. http://www.allmetals.ru/metals/vanadium/index.php?p=apply

Размещено на Allbest.ru