Ванадий

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Ванадий в организме

Ванадий (Vanadium), V, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 23, атомная масса 50,942; металл серо-стального цвета. Природный Ванадий состоит из двух изотопов: ⁵¹V (99,75%) и ⁵⁰V (0,25%); последний слабо радиоактивен (период полураспада T_½ = 10¹⁴ лет). Ванадий был открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. М. дель Рио в мексиканской бурой свинцовой руде и назван по красивому красному цвету нагретых солей эритронием (от греч. erythros - красный). В 1830 году шведский химик Н. Г. Сефстрем обнаружил новый элемент в железной руде из Таберга (Швеция) и назвал его Ванадий в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис. Английский химик Г. Роско в 1869 году получил порошкообразный металлический Ванадий восстановлением VCl₂ водородом. В промышленного масштабе Ванадий добывается с начала 20 века.

Содержание Ванадия в земной коре составляет 1,5·10^-2% по массе, это довольно распространенный, но рассеянный в породах и минералах элемент. Из большого числа минералов Ванадия промышленное значение имеют патронит, роскоэлит, деклуазит, карнотит, ванадинит и некоторые другие. Важным источником Ванадия служат титаномагнетитовые и осадочные (фосфористые) железные руды, а также окисленные медно-свинцово-цинковые руды. Ванадий извлекают как побочный продукт при переработке уранового сырья, фосфоритов, бокситов и различных органических отложений (асфальтиты, горючие сланцы).

Физические свойства Ванадия. Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282Å. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см³; t_пл 1900°С, t_кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10^-6 град^-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10^-8ом·м (24,8·10^-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м² (13520 кгс/мм²), предел прочности 120 мн/м² (12 кгс/мм²), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м² (70 кгс/мм²). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.

Химические свойства Ванадия. При обычной температуре Ванадия не подвержен действию воздуха, морской воды и растворов щелочей; устойчив к неокисляющим кислотам, за исключением плавиковой. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах Ванадий значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. При нагревании на воздухе выше 300°С Ванадий поглощает кислород и становится хрупким. При 600-700°С Ванадий интенсивно окисляется с образованием оксида V₂O₅, а также и низших окислов. При нагревании Ванадия выше 700°С в токе азота образуется нитрид VN (t_кип 2050°С), устойчивый в воде и кислотах. С углеродом Ванадий взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид VC (t_пл 2800°С), обладающий высокой твердостью.

Ванадий дает соединения, отвечающие валентностям 2, 3, 4 и 5; соответственно этому известны оксиды: VO и V₂O₃ (имеющие основной характер), VO₂ (амфотерный) и V₂O₅ (кислотный). Соединения 2- и 3-валентного Ванадия неустойчивы и являются сильными восстановителями. Практическое значение имеют соединения высших валентностей. Склонность Ванадий к образованию соединений различной валентности используется в аналитической химии, а также обусловливает каталитические свойства V₂О₅. Оксид Ванадия (V) растворяется в щелочах с образованием ванадатов.

Получение Ванадия. 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.

Применение Ванадия. Черная металлургия - основные потребитель Ванадия (до 95% всего производимого металла). Ванадий входит в состав быстрорежущей стали, ее заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% Ванадия резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. Ванадий, введенный в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды Ванадия, 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. Потребителем Ванадия является промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% Ванадия. В авиационной, ракетной и других 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, для применения 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. Соединения Ванадия применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото- и кинопромышленности.

Соединения Ванадия ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения Ванадиz/ Они вызывают раздражение дыхательных путей, легочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек и т. п.

Ванадий в организме. Ванадий - постоянная составная часть растительных и животных организмов. Источником Ванадия служат изверженные породы и сланцы (содержат около 0,013% Ванадий), а также песчаники и известняки (около 0,002% Ванадия). В почвах Ванадия около 0,01% (в основном в гумусе); в пресных и морских водах 1·10^-7-2·10^-7%. В наземных и водных растениях содержание Ванадия значительно выше (0,16-0,2%), чем в наземных и морских животных (1,5·10^-5- 2·10^-4%). Концентраторами Ванадия являются: мшанка Plumatella, моллюск Pleurobranchus plumula, голотурия Stichopus mobii, некоторые асцидии, из плесеней - черный аспергилл, из грибов - поганка (Amanita muscaria).