Свойства ванадия. Применение ванадия – от ярких красок до составляющей пороха. Ванадий в современных реалиях

Ванадий представляет собой химический элемент, обозначаемый символом «V». Атомная масса ванадия 50,9415 а. е. м., атомный номер - 23. Это твердый серебристо-серый, ковкий и плавкий металл, редко встречающийся в природе. Входит в состав более чем 60 минералов и даже может содержаться в ископаемом топливе.

Непризнанное открытие

Металл ванадий впервые был обнаружен мексиканским минерологом испанского происхождения Андресом Мануэлем Дель Рио в 1801 году. Исследователь извлек новый элемент из образца добытой в Мексике «коричневой» свинцовой руды. Как оказалось, соли металла обладают большим разнообразием цветов, поэтому Дель Рио первоначально назвал его «panchromium» (от греческого "παγχρώμιο" - «разноцветный»).

Позже минеролог переименовал элемент в erythronium (от греческого "ερυθρός" - «красный»), потому что большая часть солей приобретала красной оттенок при нагревании. Казалось бы, невероятная удача улыбнулась малоизвестному в Европе ученому. Открытие нового химического элемента ванадия сулило если не славу, то, как минимум, признание коллег. Однако из-за отсутствия весомого авторитета в научном мире достижение мексиканца проигнорировали.

В 1805 году французский химик Ипполит Виктор Колле-Декотильс предположил, что новый элемент, исследованный Дель Рио, был всего лишь образцом хромата свинца с примесями. В конечном итоге мексиканский исследователь, чтобы окончательно не потерять лицо перед ученой братией, принял утверждение Колле-Декотиля и отказался от своего открытия. Впрочем, его достижение не кануло в небытие. Сегодня Андрес Мануэль Дель Рио признан как первооткрыватель редкого металла.

Повторное открытие

В 1831 году швед Нильс Габриэль Сефстрём вновь обнаружил химический элемент ванадий в оксиде, полученном им при работе с железной рудой. В качестве его обозначения ученый выбрал литеру «V», которая еще не была присвоена ни одному элементу. Сефстрём назвал новый металл из-за его красивой и богатой окраски в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.

Новость вызвала повышенный интерес в научном сообществе. Сразу вспомнили о работах мексиканского минеролога. В том же 1831 году Фридрих Вёлер перепроверил и подтвердил предыдущее открытие Дель Рио. А геолог Джордж Уильям Фезерстонхауп даже предложил назвать металл «рионием» в честь первооткрывателя, но инициатива поддержана не была.

Неуловимый

Выделение металла ванадия в чистом виде оказалось затруднительным. До этого ученые работали лишь с его солями. Именно поэтому истинные свойства ванадия били неизвестны. В 1831 году Берцелиус сообщил о получении металлизированного вещества, но Генри Энфилд Роско доказал, что Берцелиус фактически произвел нитрид ванадия (VN). В конечном итоге Роско произвел металл в 1867 году путем восстановления хлорида ванадия (VCl 2) под действием водорода. С 1927 года чистый ванадий получают путём восстановления пентаоксида ванадия с участием кальция.

Первое серийное промышленное использование элемента относится к 1905 году. Металл добавляли в стальной сплав для изготовления шасси гоночных автомобилей, а позже - в Ford Model T. Характеристики ванадия позволяют снизить вес конструкции, одновременно увеличивая прочность на растяжение. Кстати, немецкий химик Мартин Хенце обнаружил ванадий в клетках крови (или целомических клетках) морских обитателей - акцидий - в 1911 году.

Физические свойства

Ванадий представляет собой ковкий серо-синий металл средней твёрдости со стальным блеском и плотностью 6,11 г/см³. Некоторые источники описывают материал как мягкий, имея ввиду его высокую пластичность. Кристаллическая структура элемента сложнее большинства металлов и сталей.

Ванадий обладает хорошей устойчивостью к коррозии, щелочам, серной и соляной кислотам. Он окисляется на воздухе при температуре около 660°С (933К, 1220°F), хотя пассивация оксида происходит даже при комнатной температуре. Плавится данный материал при достижении температуры 1920°С, а при 3400°С - закипает.

Химические свойства

Ванадий под воздействием кислорода образует четыре типа оксидов:

Соединения ванадия типа (II) являются восстановителями, а соединения типа (V) - окислителями. Соединения (IV) часто существуют как производные катиона ванадила.

Оксид

Наиболее коммерчески важным соединением является пятиокись ванадия. Это коричнево-жёлтое твёрдое вещество, хотя при свежевыпакованном осаждении из водного раствора его цвет является тёмно-оранжевым.

Оксид используется в качестве катализатора для получения серной кислоты. Это соединение окисляет диоксид серы (SO 2) в триоксид (SO 3). В этой окислительно-восстановительной реакции сера окисляется от +4 до +6, а ванадий снижается с +5 до +4. Формула ванадия выглядит следующим образом:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

Катализатор регенерируется окислением кислорода:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Аналогичные процессы окисления используются в производстве малеинового ангидрида, фталевого ангидрида и нескольких других объемных органических соединений.

Этот оксид также применяют при получении феррованадия. Его нагревают с железом и ферросилицием с добавлением извести. При использовании алюминия получают железо-ванадиевый сплав вместе с оксидом алюминия в качестве побочного продукта. Из-за высокого коэффициента теплового сопротивления оксид ванадия (V) находит применение в качестве материала-детектора в болометрах и микроболометрических массивах в тепловизионных приборах.

Характеристики

Редкий металл имеет следующие характеристики:

Кристаллическая структура: кубическая объёмно-центрированная.
Звукопроводность: 4560 м/с (при 20°C).
Валентность ванадия: V (реже IV, III, II).
Тепловое расширение: 8,4 мкм/(м·К) (при 25°С).
Теплопроводность: 30,7 Вт/(м·К).
Электрическое сопротивление: 197 nΩ·м (при 20°C).
Магнетизм: парамагнитный.
Магнитная восприимчивость: +255·10 -6 см 3 /моль (298K).
Модуль упругости: 128 ГПа.
Модуль сдвига: 47 ГПа.
Объёмный модуль упругости: 160 ГПа.
Коэффициент Пуассона: 0,37.
Твёрдость по шкале Мооса: 6,7.
Твердость по Виккерсу: 628-640 МПа.
Твердость по Бринеллю: 600-742 Мпа.
Категория элемента: переходный металл.
Электронная конфигурация: 3d 3 4s 2 .
Теплота плавления: 21,5 кДж/моль.
Теплота испарения: 444 кДж/моль.
Молярная теплоёмкость: 24,89 Дж/(моль·К).

Ванадий в таблице Менделеева находится в 5-й группе (подгруппа ванадия), 4-м периоде, d-блоке.

Распространение

Ванадий в масштабах Вселенной составляет примерно 0,0001% от общего объёма вещества. Он распространён так же часто, как медь и цинк. Метал обнаружен в спектральном свечении Солнца и других звёзд.

Элемент является 20-м по распространённости в земной коре. Металл ванадий в кристаллической форме достаточно редок, но соединения этого материала встречаются в 65 различных минералах. Экономически значимыми из них являются патронит (VS 4), ванадинит (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) и карнотит (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 · 3 H 2 O).

Ионы ванадила в изобилии распространены в морской воде и имеют среднюю концентрацию 30 нМа. Некоторые источники минеральной воды также содержат данные ионы в высоких концентрациях. Например, источники возле горы Фудзи содержат до 54 мкг/л.

Добыча

Большую часть этого редкого металла получают из ванадиевого магнетита, обнаруженного в ультраосновных магматических габбровых породах. Сырьё добывается главным образом в Южной Африке, северо-западном Китае и на востоке России. В 2013 году эти страны произвели более 97 % всего ванадия (79 000 тонн в весовом выражении).

Металл также присутствует в бокситах и месторождениях сырой нефти, угля, горючих сланцев и битуминозных песков. В сырой нефти сообщалось о концентрациях до 1200 промилле. Из-за окислительных свойств ванадия (некоторых его оксидов) после сжигания таких нефтепродуктов остатки элемента могут вызвать коррозию в двигателях и котлах.

По оценкам, 110 000 тонн вещества ежегодно попадает в атмосферу путем сжигания ископаемого топлива. Сегодня разрабатываются технологии по извлечению ценного вещества из углеводородов.

Производство

В основном ванадий используется в качестве добавок к стальным сплавам, называемым ферросплавами. Феррованадий получают непосредственно путем восстановления смеси из оксида ванадия с валентностью (V), оксидов железа и чистого железа в электрической печи.

Металл получают с использованием многоступенчатого процесса, который начинается с обжига измельченной ванадий-магнетитовой руды с добавлением хлорида натрия (NaCl) или карбоната натрия (Na 2 CO 3) при температуре около 850°С с получением метаванадата натрия (NaVO 3). Водный экстракт этого вещества подкисляют, получая поливанадатную соль, которая восстанавливается кальциевым металлом. В качестве альтернативы мелкосерийному производству пятиокись ванадия восстанавливается водородом или магнием.

Также используются многие другие методы, во всех из которых ванадий производится как побочный продукт других процессов. Его очистка возможна иодидным методом, разработанным Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Бором в 1925 году. Он подразумевает образование иодида ванадия (III) и его последующее разложение с получением чистого металла:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

Достаточно экзотический способ получения этого элемента придумали японцы. Они разводят на подводных плантациях асцидии (тип хордовые), которые поглощают ванадий из морской воды. Затем их собирают и сжигают. Из образовавшегося пепла извлекают ценный метал. Кстати, его концентрация в этом случае гораздо выше, чем на самых богатых месторождениях.

Сплавы

Что собой представляют сплавы ванадия? Приблизительно 85 % производимого редкого металла используют для получения феррованадия или в качестве добавки к стали. В начале XX века было обнаружено, что даже небольшое количество ванадия значительно увеличивает прочность стали. Данный элемент образует стабильные нитриды и карбиды, что приводит к улучшению характеристик сталей и сплавов.

С этого времени отмечено применение ванадия в осях, рамах, коленчатых валах, шестернях и других важных компонентах колесного транспорта. Существуют две группы сплавов:

Высокоуглеродистые с содержанием от 0,15 % до 0,25 % ванадия.
Быстрорежущие инструментальные стали (HSS) с содержанием от 1% до 5% данного элемента.

Для сталей марки HSS может быть достигнута твердость выше HRC 60. Они используются в хирургических инструментах. В порошковой металлургии сплавы могут содержать до 18 % ванадия. Высокое содержание карбидов в этих сплавах значительно повышает износостойкость. Из них изготавливают инструменты и ножи.

Благодаря своим свойствам, ванадий стабилизирует бета-форму титана, повышает его прочность и температурную стабильность. Смешанный с алюминием в титановых сплавах, он используется в реактивных двигателях, высокоскоростных летательных аппаратах и зубных имплантатах. Наиболее распространенным сплавом для бесшовных труб является титан 3/2,5, содержащий 2,5 % ванадия. Данные материалы широко распространены в аэрокосмической, оборонной и велосипедной промышленности. Другим распространенным сплавом, выпускаемым главным образом в листах, является титан 6AL-4V, где 6 % алюминия и 4% ванадия.

Несколько ванадиевых сплавов демонстрируют сверхпроводящие свойства. Первый фазовый сверхпроводник А15 представлял собой соединение ванадия V 3 Si, которое было получено в 1952 году. Ванадиево-галлиевая лента используется в сверхпроводящих магнитах. Структура сверхпроводящей фазы A15 V 3 Ga аналогична структуре более распространенных сверхпроводников: станнида триниобия (Nb 3 Sn) и ниобий-титана (Nb 3 Ti).

Недавно учёные выяснили, что в Средние века в некоторые образцы дамасской и булатной стали добавляли небольшое количество ванадия (от 40 до 270 частей на миллион). Это улучшало свойства клинков. Однако неясно, где и как добывали редкий металл. Возможно, он входил в состав некоторых руд.

Применение

Помимо металлургии, ванадий используется и для других задач. Сечение теплового нейтронного захвата и короткий период полураспада изотопов, образующихся при захвате нейтронов, делают данный металл подходящим материалом для использования внутри термоядерного реактора.

Наиболее распространенный оксид ванадия - пентаоксид V 2 O 5 - используется в качестве катализатора при производстве серной кислоты и в качестве окислителя в производстве малеинового ангидрида. Пеноксид ванадия используется при изготовлении керамических изделий.

Металл является важным компонентом смешанных металлоксидных катализаторов, используемых при окислении пропана и пропилена в акролеин, акриловую кислоту или аммоксидирование пропилена до акрилонитрила. Другой оксид ванадия - двуокись VO 2 - используется при производстве стеклянных покрытий, которые блокируют инфракрасное излучение при определенной температуре.

Ванадиевая редокс-батарея представляет собой гальванический элемент, состоящий из водных ионов ванадия в различных состояниях окисления. Батареи такого типа были впервые предложены в 1930 годах, а коммерческое использование началось с 1980-х. Ванадат можно использовать для защиты стали от коррозии.

Ванадий имеет важное значение для здоровья человека. Он помогает регулировать углеродный и липидный обмен, участвует в выработке энергии. В сутки рекомендовано потреблять 6-63 мкг (данные ВОЗ) вещества, поступающего с пищевыми продуктами. Его вполне достаточно в крупах, бобовых, овощах, зелени, фруктах.

Ванадий - химический элемент периодической системы Менделеева, которому присвоен 23 атомный номер. Данный элемент является редким представителем черных металлов. Его открытие в истории произошло дважды. Первооткрывателем был А.М. Дель Рио из Мексики, обнаруживший металл в составе руд бурого цвета, которые приобретали красноватый окрас при воздействии на них температурами. Однако, официальным открывателем ванадия считается шведский химик Н.Г. Сефстрем. Он обнаружил данный металл в ходе исследования местной железной руды, в результате чего получил вещество и назвал его Ванадий, отождествляя с древнегреческой богиней красоты Ванадис.

Свойства ванадия

Ванадий в чистом виде имеет светло-серый окрас. Его вес в полтора раза меньше веса железа. В условиях комнатных температур при относительно низкой влажности ванадий пассивен химически, однако при воздействии на него более высокими температурами легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами. Ванадий обладает высокой пластичностью и плотностью, составляющей 6,11 г/см 3 . Однако, стоит отметить, что его пластичность значительно снижается при наличии примесей кислорода, водорода и азота, что делает металл более твердым и хрупким. Также приобретает повышенную хрупкость под воздействием температуры, превышающей 300 0 С. Имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку А=3,024А, z=2 и пространственную группу Im3m. Легко плавится при температуре 1920 0 С и закипает при 3400 0 С.

Химический ванадий имеет устойчивость к воздействию на него морской воды, а также разбавленными растворами различных кислот (соляной, азотной, серной) и щелочей.

Результатом взаимодействия ванадия с кислородом является образования нескольких оксидов: VO, V 2 O 3 , VO 2 ,V 2 O 5 . Взаимодействие последнего оксида и основных оксидов приводит образованию солей ванадиевой кислоты вероятного состава HVO 3 .

Ванадий благодаря своим характеристикам нашел широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, основной сферой его использования является металлургическая промышленость. Именно ванадий выступает главным компонентом при изготовлении марочных чугунов и сталей. Кроме этого, ванадий является неотъемлемым компонентом химической промышленности, сельскохозяйственной деятельности, а также текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности. Также используется в аэрокосмической промышленности как легирующий компонент для титановых сплавов с целью улучшения их характеристик.

При работе с ванадием необходимо быть очень внимательным и предельно остнорожным. Это связано с тем, что соединения ванадия отличаются своими ядовитыми свойствами, способными вызвать острое отравление организма просто при вдыхании пыли, в которой содержатся частички ванадия. Как результат могут возникнуть кровотечение, головокружение, нарушение сердечного ритма и работы почек.

Таблица 1. Свойства ванадия

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

Получение ванадия

В природе ванадий встречается исключительно в рассеянном состоянии. Его концентрация в земной коре составляет 1,6*10 -2 % по массе. Также может находиться в океанических водах, где его содержание достигает 3*10 -7 %. Также некоторое количество ванадия могут содержать в своем составе титаномагнетитовые руды, фосфоритовые, урансодержащие песчаники и алевролиты, в которых максимальное его содержание составляет 2%. К основным рудным минералам ванадия в подобных месторождениях относят карнотит и ванадиевый мусковит-роскоэлит. Кроме этого, было обнаружено, что бокситы, тяжелые нефти, бурые угли, битуминозные сланцы и пески также могут быть носителями ванадия. Однако, максимально средние значения концентрации ванадия фиксируются именно в магматических породах (габбро и базальтах).

Среди наиболее важных минералов следует выделить такие, как патронит V(S 2) 2 , ванадинит Pb 5 (VO 4) 3 Cl.

Основным сырьем для получения ванадия является ванадиевая руда. Однако, также существуют и другие промышленные источники получения металла, к которым относятся железные руды, титаномагнетитовые руды, а также медно-свинцово-цинковые. Указанные минералы выше наряду с урановым сырьем и горючими сланцами выступают в качестве дополнительных источников ванадия. Если ванадий получают из горючих сланцев или уранового материала, то он является побочным продуктом, который выделяется во время переработки основного сырья.

Производство ванадия осуществляют несколькими способами, связанными с окислением металла:

Путем выщелачивания руды, с помощью водных растворов или кислот. Данный способ заключается в предварительном отжиге исходного сырья, затем в выщелачивании основой или кислотной седой и выделении гидратированного оксида ванадия из растворов. На последней стадии используют гидролиз.
Плавкой в домне железных или других ванадийсодержащих руд. Суть данного способа состоит в переходе металла в чугун. Неотъемлемой частью процесса переработки металла является образование шлаков, в которых содержится порядка 16% пентоксида ванадия. Пятиокись выделяется двумя этапами: обжигом шлаков с поваренной солью и выщелачиванием. В результате этого на выходе получается продукт V 2 O 5 , который является основным сырьем для выделения металлического ванадия и его сплавов с железом. Для феррованадия характерно различное наличие металла в соединении - его концентрация может варьироваться в пределах 35-70%.

Всего в мире ванадиевых залежей насчитывается порядка 60 млн тонн, из которых 90% локализируется на территории пяти государств: России, ЮАР, Венесуэле, США и Китае. Именно там добывается порядка 50-60 тыс. тонн металла. Существуют определенные месторождения, которые выделяются в особую группу. В таких месторождениях сконцентрированы запасы ванадия, объем которых более 1 млн тонн. К ним относятся Качканарская группа, расположенная на Урале (Россия), а также Бушвельдский комплекс на территории ЮАР.

Таблица 2. Мировые запасы ванадия, т.

Страна	Подтвержденные запасы	Разведанные запасы	Доля в мировых подтвержденных запасах
Китай	5 000 000	14 000 000	38%
Россия	5 000 000	7 000 000	38%
ЮАР	3 000 000	12 000 000	23%
США	45 000	4 000 000	0,3%
Прочие	-	1 000 000	-
Всего	13 045 000	38 000 000	100%

Ванадиевая сталь

Такое название имеет сталь, свойства которой были улучшены путем добавления ванадия. Первое применение такой стали было осуществлено во Франции в 19 веке. Ванадий имеет особое влияние на сталь и ее свойства, которые приобретаются в результате карбидо- и нитридообразования. Стоит отметить, что металл выступает сильным карбидообразующим элементом, в связи с чем при взаимодействии с углеродом стали образует карбид ванадия, а в результате реакции с азотом получается карбонитрид ванадия или его нитрид.

Стоит отметить, что путем легирования стали ванадием можно получить мелкозернистую структуру, существенно снизить склонность к перегреву, а также повысить устойчивость к износу и разного рода механическим повреждениям. Ванадиевая сталь имеет отличные литейные и сварочные свойства, чего нельзя сказать об углеродной стали. Благодаря этому, она нашла широкое применение во многих областях человеческой деятельности.

Химический элемент с «божественным» названием Ванадий (от древнескандинавской Vanadis, дочери Ванов, которая была богиней любви и красота у скандинавских народов) был открыт дважды. В самом начале XIX столетия новый металл открыл Андрес Мануэль Дель Рио, профессор минералогии из Мехико в свинцовых рудах мексиканских горных пород. Но для химиков из Европы это открытие показалось сомнительным.

В 1830 году Нильс Сефстрём (химик из Швеции) открыл ванадий в железной руде. За необыкновенную красоту соединений, образуемых новым металлом, его назвали Ванадий.

Ванадий - химический элемент с атомным номером 23, занимает место в побочной подгруппе V группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Пластичный ковкий металл серебристо-стального цвета,

Нахождение ванадия в природе

Ванадий является рассеянным элементом, встречается в осадочных и магматических породах, сланцах и железных рудах. Месторождения ванадия имеются в Австралии, Перу, Турции, Англии, ЮАР и США (calorizator). На территории России ванадий добывают в Ферганской долине, на Урале, в Киргизии, центральном Казахстане, Красноярском крае и Оренбургской области.

В организме человека ванадий присутствует в жировой ткани, костях и подкожных иммунных клетках.

Физические и химические свойства ванадия

Внешний вид ванадия больше всего напоминает сталь, это пластичный металл с температурой плавления 1920˚С. Не подвержен действию воздуха, морской воды и щелочных растворов при нормальной температуре.

Суточная потребность в ванадии

Суточная потребность 6-63 мкг/сутки (ВОЗ, 2000). Всего 1% поступающего извне ванадия всасывается в организме, остальное выводится с мочой.

Полезные свойства ванадия и его влияние на организм

Ванадий играет заметную роль в регулировании липидного и углеводного обмена, принимает участие в активной выработке энергии. Медики отмечают, что уменьшение уровня холестерина связано с количеством поступающего в организм ванадия. Является стимулирующим фактором для движения кровяных клеток, которые поглощают болезнетворные микробы (фаоцитов).

Взаимодействие ванадия с другими

Токсичность ванадия снижается при его взаимодействии с и белками. Обратный эффект дают соединения и алюминия, а также .

Признаки нехватки ванадия

Дефицит ванадия представлен единичными случаями ванадийдефицитной шизофрении, а также связан с патологией углеводного обмена.

Признаки избытка ванадия

Избыток ванадия значительно более распространен и связан с производством асфальта, стекла, топливной продукции (мазут, бензин, и т.д.). Обладает гипертензивным действием (ВОЗ, 1997). Установлена связь генеза маниакально-депрессивных состояний и невротической реактивной депрессии с повышением уровня ванадия в крови. Описана ванадиевая природа эндемичного рассеянного склероза - жирорастворимые комплексы ванадия техногенного происхождения кумулируются в миелиновых оболочках и в коре мозга, приводя к развитию рассеянного склероза.

Основным потребителем ванадия является металлургическая промышленность. Введение ванадия в состав сплавов нержавеющей, быстрорежущей и инструментальной стали увеличивается прочность и износоустойчивость стали.

Также ванадий применяется в атомно-водородной энергетике, в производстве серной кислоты, как химический источник тока.

3650 К (3377 °C)

Уд. теплота плавления

17,5 кДж/моль

Уд. теплота испарения

460 кДж/моль

Молярная теплоёмкость Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки

кубическая
объёмноцентрированная

Параметры решётки Температура Дебая Прочие характеристики Теплопроводность

(300 K) 30,7 Вт/(м·К)

23

3d 3 4s 2

Нахождение в природе

Ванадий относится к рассеянным элементам и в природе в свободном виде не встречается. Содержание ванадия в земной коре 1,6·10 −2 % по массе, в воде океанов 3·10 −7 %. Наиболее высокие средние содержания ванадия в магматических породах отмечаются в габбро и базальтах (230-290 г/т). В осадочных породах значительное накопление ванадия происходит в биолитах (асфальтитах, углях, битуминозных фосфатах), битуминозных сланцах, бокситах , а также в оолитовых и кремнистых железных рудах . Близость ионных радиусов ванадия и широко распространённых в магматических породах железа и титана приводит к тому, что ванадий в гипогенных процессах целиком находится в рассеянном состоянии и не образует собственных минералов. Его носителями являются многочисленные минералы титана (титаномагнетит, сфен , рутил , ильменит), слюды , пироксены и гранаты , обладающие повышенной изоморфной ёмкостью по отношению к ванадию. Важнейшие минералы: патронит V(S 2) 2 , ванадинит Pb 5 (VO 4) 3 Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия - железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Месторождения

Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России , Турции, Англии.

Получение

В промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16 %. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO 3 . При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90 % ванадия.

Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа - так называемого феррованадия (содержит от 35 до 80 % ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), термическим восстановлением оксидов ванадия (V 2 O 5 или V 2 O 3) кальцием, термической диссоциацией VI 2 и другими методами.

Физические свойства

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, V 2 O 3 , VO 2 ,V 2 O 5 . Оранжевый V 2 O 5 - кислотный оксид, темно-синий VO 2 - амфотерный, остальные оксиды ванадия - основные. Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX 2 (X = , , , ), VX 3 , VX 4 (X = , , ), VF 5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl 2 , VOF 3 и др.). Известны следующие оксиды ванадия:

Название	Формула	Плотность	Температура плавления	Температура кипения	Цвет
Оксид ванадия(II)	VO	5,76 г/см³	~1830 °C	3100 °C	Черный
Оксид ванадия(III)	V 2 O 3	4,87 г/см³	1967 °C	3000 °C	Черный
Оксид ванадия(IV)	VO 2	4,65 г/см³	1542 °C	2700 °C	Темно-голубой
Оксид ванадия(V)	V 2 O 5	3,357 г/см³	670 °C	2030 °C	Красно-желтый

Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 - сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (t пл =2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V 2 S 5 , силицид ванадия V 3 Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V 2 O 5 с основными оксидами образуются ванадаты - соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO 3 .

Применение

Биологическая роль и воздействие

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах. Возникают и системные аллергические реакции типа астмы и экземы; а также лейкопения и анемия, которые сопровождаются нарушениями основных биохимических параметров организма.

При введении ванадия животным (в дозах 25-50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза - 2-4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Кроме того, высокое содержание выявлено у некоторых морских беспозвоночных (голотурий и асцидий), у которых ванадий входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементах крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 8,75 % . Функция элемента в организме до конца не ясна, разные ученые считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ. С точки зрения практического использования - возможна добыча ванадия из этих организмов, экономическая окупаемость таких «морских плантаций» на данный момент не ясна, но в Японии имеются пробные варианты.

Изотопы

Природный ванадий состоит из двух изотопов : слаборадиоактивного 50 V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51 V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·10 17 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в , а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад , превращаясь в . Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49 V (T 1/2 =337 дней) и 48 V (T 1/2 =15,974 дня).

См. также

Напишите отзыв о статье "Ванадий"

Примечания

Ссылки

Соединения ванадия






		V


Лантаноиды	Свойства неизвестны

Отрывок, характеризующий Ванадий

Народ беспокойно сновал по улицам.
Наложенные верхом возы с домашней посудой, стульями, шкафчиками то и дело выезжали из ворот домов и ехали по улицам. В соседнем доме Ферапонтова стояли повозки и, прощаясь, выли и приговаривали бабы. Дворняжка собака, лая, вертелась перед заложенными лошадьми.
Алпатыч более поспешным шагом, чем он ходил обыкновенно, вошел во двор и прямо пошел под сарай к своим лошадям и повозке. Кучер спал; он разбудил его, велел закладывать и вошел в сени. В хозяйской горнице слышался детский плач, надрывающиеся рыдания женщины и гневный, хриплый крик Ферапонтова. Кухарка, как испуганная курица, встрепыхалась в сенях, как только вошел Алпатыч.
– До смерти убил – хозяйку бил!.. Так бил, так волочил!..
– За что? – спросил Алпатыч.
– Ехать просилась. Дело женское! Увези ты, говорит, меня, не погуби ты меня с малыми детьми; народ, говорит, весь уехал, что, говорит, мы то? Как зачал бить. Так бил, так волочил!
Алпатыч как бы одобрительно кивнул головой на эти слова и, не желая более ничего знать, подошел к противоположной – хозяйской двери горницы, в которой оставались его покупки.
– Злодей ты, губитель, – прокричала в это время худая, бледная женщина с ребенком на руках и с сорванным с головы платком, вырываясь из дверей и сбегая по лестнице на двор. Ферапонтов вышел за ней и, увидав Алпатыча, оправил жилет, волосы, зевнул и вошел в горницу за Алпатычем.
– Аль уж ехать хочешь? – спросил он.
Не отвечая на вопрос и не оглядываясь на хозяина, перебирая свои покупки, Алпатыч спросил, сколько за постой следовало хозяину.
– Сочтем! Что ж, у губернатора был? – спросил Ферапонтов. – Какое решение вышло?
Алпатыч отвечал, что губернатор ничего решительно не сказал ему.
– По нашему делу разве увеземся? – сказал Ферапонтов. – Дай до Дорогобужа по семи рублей за подводу. И я говорю: креста на них нет! – сказал он.
– Селиванов, тот угодил в четверг, продал муку в армию по девяти рублей за куль. Что же, чай пить будете? – прибавил он. Пока закладывали лошадей, Алпатыч с Ферапонтовым напились чаю и разговорились о цене хлебов, об урожае и благоприятной погоде для уборки.
– Однако затихать стала, – сказал Ферапонтов, выпив три чашки чая и поднимаясь, – должно, наша взяла. Сказано, не пустят. Значит, сила… А намесь, сказывали, Матвей Иваныч Платов их в реку Марину загнал, тысяч осьмнадцать, что ли, в один день потопил.
Алпатыч собрал свои покупки, передал их вошедшему кучеру, расчелся с хозяином. В воротах прозвучал звук колес, копыт и бубенчиков выезжавшей кибиточки.
Было уже далеко за полдень; половина улицы была в тени, другая была ярко освещена солнцем. Алпатыч взглянул в окно и пошел к двери. Вдруг послышался странный звук дальнего свиста и удара, и вслед за тем раздался сливающийся гул пушечной пальбы, от которой задрожали стекла.
Алпатыч вышел на улицу; по улице пробежали два человека к мосту. С разных сторон слышались свисты, удары ядер и лопанье гранат, падавших в городе. Но звуки эти почти не слышны были и не обращали внимания жителей в сравнении с звуками пальбы, слышными за городом. Это было бомбардирование, которое в пятом часу приказал открыть Наполеон по городу, из ста тридцати орудий. Народ первое время не понимал значения этого бомбардирования.
Звуки падавших гранат и ядер возбуждали сначала только любопытство. Жена Ферапонтова, не перестававшая до этого выть под сараем, умолкла и с ребенком на руках вышла к воротам, молча приглядываясь к народу и прислушиваясь к звукам.
К воротам вышли кухарка и лавочник. Все с веселым любопытством старались увидать проносившиеся над их головами снаряды. Из за угла вышло несколько человек людей, оживленно разговаривая.
– То то сила! – говорил один. – И крышку и потолок так в щепки и разбило.
– Как свинья и землю то взрыло, – сказал другой. – Вот так важно, вот так подбодрил! – смеясь, сказал он. – Спасибо, отскочил, а то бы она тебя смазала.
Народ обратился к этим людям. Они приостановились и рассказывали, как подле самих их ядра попали в дом. Между тем другие снаряды, то с быстрым, мрачным свистом – ядра, то с приятным посвистыванием – гранаты, не переставали перелетать через головы народа; но ни один снаряд не падал близко, все переносило. Алпатыч садился в кибиточку. Хозяин стоял в воротах.
– Чего не видала! – крикнул он на кухарку, которая, с засученными рукавами, в красной юбке, раскачиваясь голыми локтями, подошла к углу послушать то, что рассказывали.
– Вот чуда то, – приговаривала она, но, услыхав голос хозяина, она вернулась, обдергивая подоткнутую юбку.
Опять, но очень близко этот раз, засвистело что то, как сверху вниз летящая птичка, блеснул огонь посередине улицы, выстрелило что то и застлало дымом улицу.
– Злодей, что ж ты это делаешь? – прокричал хозяин, подбегая к кухарке.
В то же мгновение с разных сторон жалобно завыли женщины, испуганно заплакал ребенок и молча столпился народ с бледными лицами около кухарки. Из этой толпы слышнее всех слышались стоны и приговоры кухарки:
– Ой о ох, голубчики мои! Голубчики мои белые! Не дайте умереть! Голубчики мои белые!..
Через пять минут никого не оставалось на улице. Кухарку с бедром, разбитым гранатным осколком, снесли в кухню. Алпатыч, его кучер, Ферапонтова жена с детьми, дворник сидели в подвале, прислушиваясь. Гул орудий, свист снарядов и жалостный стон кухарки, преобладавший над всеми звуками, не умолкали ни на мгновение. Хозяйка то укачивала и уговаривала ребенка, то жалостным шепотом спрашивала у всех входивших в подвал, где был ее хозяин, оставшийся на улице. Вошедший в подвал лавочник сказал ей, что хозяин пошел с народом в собор, где поднимали смоленскую чудотворную икону.
К сумеркам канонада стала стихать. Алпатыч вышел из подвала и остановился в дверях. Прежде ясное вечера нее небо все было застлано дымом. И сквозь этот дым странно светил молодой, высоко стоящий серп месяца. После замолкшего прежнего страшного гула орудий над городом казалась тишина, прерываемая только как бы распространенным по всему городу шелестом шагов, стонов, дальних криков и треска пожаров. Стоны кухарки теперь затихли. С двух сторон поднимались и расходились черные клубы дыма от пожаров. На улице не рядами, а как муравьи из разоренной кочки, в разных мундирах и в разных направлениях, проходили и пробегали солдаты. В глазах Алпатыча несколько из них забежали на двор Ферапонтова. Алпатыч вышел к воротам. Какой то полк, теснясь и спеша, запрудил улицу, идя назад.
– Сдают город, уезжайте, уезжайте, – сказал ему заметивший его фигуру офицер и тут же обратился с криком к солдатам:
– Я вам дам по дворам бегать! – крикнул он.
Алпатыч вернулся в избу и, кликнув кучера, велел ему выезжать. Вслед за Алпатычем и за кучером вышли и все домочадцы Ферапонтова. Увидав дым и даже огни пожаров, видневшиеся теперь в начинавшихся сумерках, бабы, до тех пор молчавшие, вдруг заголосили, глядя на пожары. Как бы вторя им, послышались такие же плачи на других концах улицы. Алпатыч с кучером трясущимися руками расправлял запутавшиеся вожжи и постромки лошадей под навесом.
Когда Алпатыч выезжал из ворот, он увидал, как в отпертой лавке Ферапонтова человек десять солдат с громким говором насыпали мешки и ранцы пшеничной мукой и подсолнухами. В то же время, возвращаясь с улицы в лавку, вошел Ферапонтов. Увидав солдат, он хотел крикнуть что то, но вдруг остановился и, схватившись за волоса, захохотал рыдающим хохотом.
– Тащи всё, ребята! Не доставайся дьяволам! – закричал он, сам хватая мешки и выкидывая их на улицу. Некоторые солдаты, испугавшись, выбежали, некоторые продолжали насыпать. Увидав Алпатыча, Ферапонтов обратился к нему.
– Решилась! Расея! – крикнул он. – Алпатыч! решилась! Сам запалю. Решилась… – Ферапонтов побежал на двор.
По улице, запружая ее всю, непрерывно шли солдаты, так что Алпатыч не мог проехать и должен был дожидаться. Хозяйка Ферапонтова с детьми сидела также на телеге, ожидая того, чтобы можно было выехать.
Была уже совсем ночь. На небе были звезды и светился изредка застилаемый дымом молодой месяц. На спуске к Днепру повозки Алпатыча и хозяйки, медленно двигавшиеся в рядах солдат и других экипажей, должны были остановиться. Недалеко от перекрестка, у которого остановились повозки, в переулке, горели дом и лавки. Пожар уже догорал. Пламя то замирало и терялось в черном дыме, то вдруг вспыхивало ярко, до странности отчетливо освещая лица столпившихся людей, стоявших на перекрестке. Перед пожаром мелькали черные фигуры людей, и из за неумолкаемого треска огня слышались говор и крики. Алпатыч, слезший с повозки, видя, что повозку его еще не скоро пропустят, повернулся в переулок посмотреть пожар. Солдаты шныряли беспрестанно взад и вперед мимо пожара, и Алпатыч видел, как два солдата и с ними какой то человек во фризовой шинели тащили из пожара через улицу на соседний двор горевшие бревна; другие несли охапки сена.
Алпатыч подошел к большой толпе людей, стоявших против горевшего полным огнем высокого амбара. Стены были все в огне, задняя завалилась, крыша тесовая обрушилась, балки пылали. Очевидно, толпа ожидала той минуты, когда завалится крыша. Этого же ожидал Алпатыч.
– Алпатыч! – вдруг окликнул старика чей то знакомый голос.
– Батюшка, ваше сиятельство, – отвечал Алпатыч, мгновенно узнав голос своего молодого князя.
Князь Андрей, в плаще, верхом на вороной лошади, стоял за толпой и смотрел на Алпатыча.
– Ты как здесь? – спросил он.
– Ваше… ваше сиятельство, – проговорил Алпатыч и зарыдал… – Ваше, ваше… или уж пропали мы? Отец…
– Как ты здесь? – повторил князь Андрей.
Пламя ярко вспыхнуло в эту минуту и осветило Алпатычу бледное и изнуренное лицо его молодого барина. Алпатыч рассказал, как он был послан и как насилу мог уехать.
– Что же, ваше сиятельство, или мы пропали? – спросил он опять.
Князь Андрей, не отвечая, достал записную книжку и, приподняв колено, стал писать карандашом на вырванном листе. Он писал сестре:
«Смоленск сдают, – писал он, – Лысые Горы будут заняты неприятелем через неделю. Уезжайте сейчас в Москву. Отвечай мне тотчас, когда вы выедете, прислав нарочного в Усвяж».
Написав и передав листок Алпатычу, он на словах передал ему, как распорядиться отъездом князя, княжны и сына с учителем и как и куда ответить ему тотчас же. Еще не успел он окончить эти приказания, как верховой штабный начальник, сопутствуемый свитой, подскакал к нему.
– Вы полковник? – кричал штабный начальник, с немецким акцентом, знакомым князю Андрею голосом. – В вашем присутствии зажигают дома, а вы стоите? Что это значит такое? Вы ответите, – кричал Берг, который был теперь помощником начальника штаба левого фланга пехотных войск первой армии, – место весьма приятное и на виду, как говорил Берг.
Князь Андрей посмотрел на него и, не отвечая, продолжал, обращаясь к Алпатычу:
– Так скажи, что до десятого числа жду ответа, а ежели десятого не получу известия, что все уехали, я сам должен буду все бросить и ехать в Лысые Горы.
– Я, князь, только потому говорю, – сказал Берг, узнав князя Андрея, – что я должен исполнять приказания, потому что я всегда точно исполняю… Вы меня, пожалуйста, извините, – в чем то оправдывался Берг.
Что то затрещало в огне. Огонь притих на мгновенье; черные клубы дыма повалили из под крыши. Еще страшно затрещало что то в огне, и завалилось что то огромное.
– Урруру! – вторя завалившемуся потолку амбара, из которого несло запахом лепешек от сгоревшего хлеба, заревела толпа. Пламя вспыхнуло и осветило оживленно радостные и измученные лица людей, стоявших вокруг пожара.
Человек во фризовой шинели, подняв кверху руку, кричал:
– Важно! пошла драть! Ребята, важно!..
– Это сам хозяин, – послышались голоса.
– Так, так, – сказал князь Андрей, обращаясь к Алпатычу, – все передай, как я тебе говорил. – И, ни слова не отвечая Бергу, замолкшему подле него, тронул лошадь и поехал в переулок.

Ванадий - химический элемент 5-й группы периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Название элемента «Ванадий» произошло от имени древнескандинавской богини красоты - «Ванадис». Причиной этому стал цвет солей. Ванадий - твердый металл серо-стального цвета. Он довольно устойчив к действию воды и множества кислот. В земной коре ванадий рассеян, часто сопутствует железу, а железные руды, являются очень важным источником промышленного производства ванадия.

Ванадий является, пожалуй, самым редким представителем черных металлов на Земле. Основная область применения данного металла - это производство марочных сталей, а также чугунов. Добавки ванадия способны обеспечить высокую характеристику титановым сплавам, что так важно в авиационной и космической промышленности. Ванадий широко использестя как катализатор в процессе получения серной кислоты.

В природе ванадий обычно находится в титаномагнетитовых рудах, иногда встречается в фосфоритах, урансодержащих алевролитах и песчаниках, а которых концентрация ванадия, как правило, не превышает двух процентов. Главными рудными минералами в подобных месторождениях являются ванадиевый мусковит-роскоэлит, а также карнотит. Зачастую ванадий в достаточно большом количестве встречается в бокситах, бурых углях, тяжелых нефтях, битуминозных песках и сланцах. Обычно Ванадий добывается в виде побочного продукта во время извлечения из минерального сырья других, главных компонентов. К примеру, из золы в результате сжигания нефти, или из титановых шлаков во время переработки титаномагнетитовых концентратов.

Ванадий в чистом виде представляет собой светло-серый металл, поддающийся ковке. Ванадий почти вдвое легче железа. Температура плавления металла составляет 1900 градусов по Цельсию, плюс-минус 25 градусов. Температура кипения ванадия равна 3400 градусам по Цельсию. В сухом воздухе при соблюдении комнатной температуры ванадий ведет себя достаточно пассивно с химической точки зрения. Но при достижении высоких температур элемент способен легко соединяться с азотом, кислородом, а также другими атомами.

В химической промышленности соединения Ванадия применяют как катализаторы. Кроме того, ванадий применяется в медицине и сельском хозяйстве, а также в резиновой, текстильной, лакокрасочной, стекольной, керамической промышленности, в производстве приспособлений для фото- и видеосъемки. Ванадий используется как легирующий компонент в создании конструкционных сплавов и сталей, которые применяются в космической и авиационной технике, морском судостроении. Металл используют и в качестве компонента сверхпроводящих сплавов.

Соединения ванадия сами по себе ядовиты и могут принести ущерб организму. Отравление ванадием обычно происходит при вдыхании пыли металла, содержащейся в воздухе. Результатом такого вдыхания может стать раздражение дыхательных путей, головокружение, легочное кровотечение. Ванадиевая пыль воздействует на работу сердца и почек.

Поступая в организм с пищей, ванадий оказывает благотворное воздействие на иммунитет, способствует очищению крови. Некоторые исследования доказывают, что в совокупности с отдельными веществами ванадий способен замедлять процессы старения организма. Больше всего ванадия (как химического элемента) содержится в неочищенном рисе (400 мг/100г), цельном зерне овса (200 мг/100г), а также в фасоли (190 мг/100г), редисе (185 мг/100г) и сыром картофеле (149 мг/100г).

Биологические свойства

Соединения ванадия являются ядовитыми. Отравление веществом возможно после вдыхания ванадиевой пыли. При вдыхании возможно возникновение раздражения дыхательных путей, головокружения, лёгочного кровотечения, нарушается деятельность почек, сердца и других внутренних органов.

В ничтожных количествах ванадий присутствует в тканях практически всех живых организмов на нашей планете. Существует предположение, что ванадий служит средством, которое подавляет образование холестерина в сосудах, но вот нормы употребления данного минерала так и не удалось установить.

Биологическая роль ванадия была изучена на асцидиях. Ванадий в их кровяных клетках находится в трех- и четырехвалентном состоянии, тем самым осуществляется динамическое равновесие:

V III -> V IV ,

V III <- V IV .

У асцидии физиологическая роль ванадия напрямую связывается не с дыхательным процессом переноса углекислого газа и кислорода, а с процессами окисления и восстановления, т.е. переносом электронов с помощью, если можно так сказать, ванадиевой системы, которая, скорее всего, имеет значение на физиологическом уровне, в том числе и у других организмов.

В растениях содержание ванадия гораздо выше, чем в животных: 0,1% - 2% против 1·10 -5% - %1·10 -4 %. Некоторые виды морских жители, особенно это касается мшанок и моллюсков, в частности асцидий, концентрируют ванадий в довольно больших количествах. Ванадий находится у асцидий в плазме крови или в ванадоцитах - специальных клетках существа.

Источниками ванадия являются сланцы и изверженные породы, содержание металла составляет в них примерно 0,013% ванадия. Ванадий содержится также в песчаниках и известняках, где содержание металла составляет около 0,002%. В почвах, по большей части в гумусе, доля ванадия составляет примерно 0,01%. В пресной и морской воде содержание металла примерно 1·107—2·107%.

Судя по всему, ванадий участвует в протекании некоторых окислительных процессов в органических тканях. У человека содержание ванадия в мышечной ткани составляет 2·10 -6 % ванадия, в крови - менее 2·10 -4 % мг/л, в костной ткани – около 0,35·10 -6 %. Всего в здоровом человеческом организме, имеющем массу 70 килограмм, содержится 0,11 миллиграмма ванадия.

Соединения ванадия и сам элемент токсичны. Для человека токсическая доза составляет 0,25 миллиграмма, летального исход при употреблении 2-4 миллиграмм. Для VO5 предельно допустимый коэффициент содержания в воздухе составляет 0,1-0,5 мг/м3.

В прошлом при лечении туберкулеза, анемии и сифилиса применялись некоторые фармацевтические препараты, в составе которых в малых долях присутствовали самые разные соединения ванадия. На сегодняшний день ванадиевые соли применяются в качестве инсектицидов, фунгицидов и дезинфицирующих средств.

Ванадий в организме человека участвует в следующих процессах:

1. Усиливает окисление фосфолипидов, усиливает эритропоэз, Стимулирует костный мозг, участвует в стимулировании пролиферации костных клеток, а также в процессе синтеза костного коллагена, в общем виде способствует росту организма.

2. Снижает активность НаКАтфазы, при этом ванадий делает аденилатциклазу еще боле активной, повышает активность печеночных липолитических ферментов. Ванадий угнетает процесс синтеза эндогенного холестерина в гепатоцитах, снижает концентрацию холестерина и триглицеридов в плазме крови.

3. Ванадий как и некоторые другие микроэлементы (например селен, цинк) дает инсулино-миметический эффект, за счет воздействия на фосфоинозитол 3 киназу (PI3), инсулин-рецепторный субстрат 1-го типа (IRS-1), протеинкиназу В (PKB), активность ГЛЮТ4

Во времена первой мировой войны французские инженеры создали самолет, который стал настоящей сенсацией того времени. Обычно самолеты вооружались пулеметом, а на этом аппарате была установлена самая настоящая пушка, которая держала в страхе всех летчиков Германии. Но возникает вопрос, как можно было поставить пушку на самолет в то время? Ведь грузоподъемность летательных аппаратов первой мировой войны была очень и очень низкой. В последствии оказалось, что все дело в ванадии, это он помог установить на самолет полноценную пушку. Авиационные пушки французских самолетов изготавливались из ванадиевой стали. Имея совсем не большой вес, орудия обладали прекрасной прочностью, которая позволяла вести ошеломляюще сокрушительный на те времена огонь по вражеским самолетам.

Ванадий, как и другой химический элемент - бор – дважды пережил свое открытие. Фактически он был открыт еще в 1781 году в свинцовых рудах Андресом Мануэлем Дель Рио, который бы профессором минерологи в Мехико. И лишь спустя двадцать девять лет, в 1830 году ванадий был заново обнаружен в железной руде ученым-химиком Нильсом Сёфстремом из Швеции. Окончательное название элемент получил от богини красоты скандинавских народов по имени Ванадис, причиной чему стал красивый цвет соеденияя, образующего ванадий.

Интересен еще и тот факт, что некоторые представители подводного растительного и животного мира, например, асцидии, морские ежи и голотурии, буквально «коллекционируют» ванадий. Эти создания извлекают химический элемент из окружающей среды каким-то не понятным для человеческого ума способом. Отдельные ученые предполагают, что у этих живых организмов ванадий служит той же цели, что и железо в крови высших существ, в том числе и человека, т.е. помогает крови впитывать кислород, или, говоря образно, помогает ей «дышать».

В организме здорового взрослого человека содержание ванадия составляет около 10-25мг, большая доля элемента приходится на зубы, костную ткань, жировую ткань на плазму крови (до 10 мкг/л), легкие (около 0,6 мг/кг).

Суточная потребность в химическом элементе для взрослых составляет 1.8 мг (Food and Nutrition board. 2004 by the National Academy of Sciences).

Ванадий проникает в организм по большей части с пищей: рис, зеленый салат, фасоль, редис, укроп, горох, черный перец, грибы, петрушка, мясо.

Неоднократные исследования установили связь ванадия с психическим состоянием человека. Научно доказан тот факт, что при шизофрении содержание ванадия в крови больного значительно повышается.

По мнению американских ученых-медиков, недостаток ванадия в человеческом организме связан с развитием сахарного диабета, потому что его нехватка, как и в случае с недостатком цинка и хрома – это один из самых важных индикаторов симптомов сахарного диабета.

История

Ванадий как примесь в составе свинцовой руды рудника в Зимапане был открыт испанским минерологом А. М. Дель Рио в 1801году. 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.

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 битуминозныхпесках 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 Pb 5 (VO 4) 3 Cl, патронит V(S 2) 2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.

Применение

Ванадий чаще всего используется в качестве легирующей добавки в производстве жаропрочных, коррозийностойких и износоустойчивых сплавов, в первую очередь это касается специальных сталей. Кроме того, ванадий используют в качестве одного из компонентов при получении магнита. Ванадий в металлургии обозначают буквой Ф.

Основным потребителем ванадия выступает черная металлургия, в которой используется около 95% всего добываемого металла. В составе быстрорежущей стали, и ее заменителей также присутствует ванадий, он входит в состав инструментальных малолегированных и в некоторые виды конструкционных сталей. Даже присутствие 0,15 % - 0,25 % ванадия в составе сплава, прочность стали резко повышается, повышаются показатели вязкости, сопротивления усталости и износоустойчивости металла. Введенный в стать ванадий, является одновременно и карбидообразующим, и раскисляющим элементом. Карбиды ванадия распределяются в виде дисперсных включений, препятствуя тем самым росту зерна в процессе нагревания стали. Ввод ванадия в сталь происходит в виде феррованадия, который является одной из форм лигатурного сплава.

Ванадий применяется и в процессе легирования чугуна. Промышленность титановых сплавов, которая стремительно развивается в последнее время, является новым, но довольно существенным потребителем ванадия на современном этапе. Необходимо отметить, что отдельные сплавы титана могут содержать до 13% ванадия. Сплавы, основанные на ниобии, хроме и тантале, содержащие при этом присадки ванадия, нашли применение в ракетной, авиационной и других сферах индустрии. Также в авиационной, ракетной и даже атомной технике в ближайшее время ожидается использование различных по составу и свойствам коррозийностойких и жаропрочных сплавов в основе которых лежит ванадий, а также добавки Zr, Ti, W, Al и Nb. Такие сплавы уже переходят в стадию промышленного изготовления. Огромный интерес вызывают сверхпроводящие соединения и сплавы на основе ванадия с Ti, Si и Ga.

Ванадий применяется в качестве промежуточного материала (прослойки) в процессе плакирования стали, а также тугоплавких металлов циркониевыми, титановыми сплавами, со сплавами благородных металлов.

За счет высокой коррозионной стойкости в самых агрессивных средах, ванадий становится перспективным материалом в химическом машиностроении и др. отраслях.

Металлический ванадий в чистом виде нередко используется в атомной энергетике, из него изготавливают оболочку для тепловыделяющих элементов, а также различные трубы. Ванадий присутствует и в некоторых электронных приборах. В процессе термохимического разложения воды применяется хлорид ванадия, этот процесс относится к области ядерной энергетики, например, цикл хлоридного ванадия «General Motors» в Соединенных Штатах Америки.

Самый распространенный оксид ванадия V 2 O 5 зачастую используется в качестве эффективного катализатора, к примеру, в процессе окисления сернистого газа SO 2 и превращения его в серный газ SO 3 при получении серной кислоты. Оксид ванадия применяют в качестве катализатора также при окислении аммиака и др.

Соединения и сплавы ванадия находят применение в самых разных отраслях экономики: стекольной, лакокрасочной, текстильной промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, в производстве фото- и кинооборудования и других сферах. В аккумуляторах и мощных литиевых батареях пятиокись ванадия применяется довольно широко, здесь она служит катодом, т.е. положительным электродом. В резервных батареях в качестве положительного электрода выступает ванадат серебра. При изготовлении электронно-лучевых трубок применяются люминесцентные материалы, т.е ванадаты иттрия. Ванадат натрия является лазерным материалом, который широко применяется как активные элементы в твердотельных лазерах.

Производство

При промышленном получении ванадия сначала готовят концентрат из железных руд с примесью металла, содержание ванадия в данном концентрате составляет примерно 8-16%. Затем при помощи окислительной обработки ванадий переводится в степень окисления +5, т.е высшую степень окисления, в результате чего от полученной массы отделяют ванадат натрия (т.е. NaVO 3), который легко растворяется в воде. Раствор после этого подкисляют при помощи серной кислоты, в последствии выпадает осадок. После просушивания данного осадка получившаяся консистенция содержит более чем 90% ванадия.

Первичный концентрат восстанавливают доменным способом в печах, после чего получается концентрат ванадия, используемый далее в процессе выплавки сплава железа и ванадия, т.е. феррованадия (феррованадий содержит примерно от 35% до 70% чистого ванадия). Ванадий как металл можно производить путем восстановления хлорида ванадия водородом, а также при помощи термической диссоциации VI2 и кальцийтермического восстановления оксидов ванадия (например, V 2 O 5 или V 2 O 3) или другими методами.

Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V 2 O 3 или V 2 O 5 ; путем восстановления V 2 O 5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V 2 O 3 ; путем магниетермического восстановления VCl 3 или путем термической диссоциации йодида ванадия. Ванадий плавят в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом, а также в электроннолучевых печах.

Ванадий извлекается из содержащей металл руды или ее концентратов путем непосредственного выщелачивания при помощи растворов кислот либо щелочей, или методом выщелачивания разбавленными кислотами или водой продукта окислительного обжига (его смешивают с поваренной солью). Из растворов оксид ванадия V2O5 (V)извлекают гидролизом, он используется при выплавке феррованадия и производстве металлического ванадия.

Железные руды, содержащие ванадий, перерабатываются на сталь, в результате чего остаются ванадиевые шлаки. Эти шлаки подвергаются обжигу в смеси, в составе которой есть NaCl. Затем полученный продукт выщелачивают с использованием воды, после этого его выщелачивают слабым раствором серной кислоты, в результате получают технический ванадиевый оксид (V).

Металлический ванадий производят или путем непосредственного восстановления оксида ванадия, или в две стадии: сперва восстанавливают оксиды до низшего оксида используя один восстановитель, а после низший оксид восстанавливают до металла.

Существует несколько способов получения металлического ванадия: это и кальциетермический, когда ковкий ванадий производят путем восстановления оксидов ванадия при помощи кальция, и алюминотермический, при котором роль основного восстановителя играет алюминий, и вакуумное углетермическое восстановление оксидов ванадия (наиболее перспективно использование углерода), это и хлоридный метод, когда восстанавливают хлорид ванадия (VCl3).

Основным сырьем при производстве ванадия являются железные руды, в составе которых присутствует и дефицитный ванадий. Сначала следует процесс обогащения железной руды, далее полученные концентраты перерабатываются вплоть до момента, пока ни станет образовываться оксид ванадия (V). Из полученного оксида ванадий можно получить таким способом, как металлотермия:

V2O5 + 5Ca -> 900 градусов по Цельсию -> 2V + 5CaO.

Высоко чистый ванадий можно получить путем восстановления хлоридов ванадия с использованием водорода:

VCl4 + 2H2 = V + 4HCl;

Высоко чистый ванадий можно получить путем магнийтермического восстановления хлорида ванадия (III):

2VCl3 + 3Mg = 2V + 3MgCl2;

Высоко чистый ванадий можно получить путем термической диссоциации VI2:

Высоко чистый ванадий можно получить еще и путем электролиза расплавов галогенидов ванадия:

VCl2 -> электролиз -> V + Cl2.

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/мм 2 (135,25 н/м 2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм 2 (120 нм/м 2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм 2 (700 мн/м 2). 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 3,9·10 17 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s 2 p 6 d 3 4s 2 . 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 V 5+ — 0,050-0,068 нм, V 4+ - 0,067-0,086 нм, V 3+ - 0,078 нм, V 2+ - 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.

Химические свойства

Ванадий - элемент с высокой химической стойкостью, в нормальных условиях он инертен. При комнатной температуре на ванадий не воздействует воздух, морская вода и растворы щелочей, металл устойчив к неокисляющим кислотам, кроме плавиковой кислоты. Коррозийная стойкость ванадия в соляной и серной кислотах намного выше, чем у нержавеющей стали и титана.

При нагревании ванадия до температуры 300 градусов по Цельсию, он начинает поглощать кислород и становится довольно хрупким. При нагревании до температуры 600-700 градусов по Цельсию, ванадий начинает интенсивно окисляться, образуя пятиокись V 2 O 5 и низшие оксиды. При нагревании химического элемента выше 700 градусов по Цельсию в токе азота начинает образовываться нитрид VN (tпл 2050°C), он устойчив и в кислотах, и в воде. При достижении высокой температуры ванадий начинает взаимодействовать с углеродом, при этом образуется тугоплавкий карбид VC (температура плавления 2800 градусов по Цельсию), который обладает очень высокой твердостью.

Ванадий даёт соединения 2-й, 3-й, 4-й и 5-й валентностей, в соответствии с этим известны следующие окислы: VO и V 2 O 3 (основной характер), VO 2 (амфотерный), V 2 O 5 (кислотный). Соединения двух- и трехвалентного ванадия неустойчивы и выступают сильными восстановителями. Соединения высших валентностей имеют практическое значение. В аналитической химии используется способность ванадия образовывать соединений различной валентности, к тому же данный факт обусловливает каталитические свойства V 2 O 5 . Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.

Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 4 (X = F, Cl, Br), VX 3 , VF 5 , а также несколько оксогалогенидов (например, VOF 3 , VOCl 2 , VOCl и др.).

Давайте рассмотрим основные химические реакции с ванадием.

При нагревании до температуры выше 600 градусов по Цельсию ванадий взаимодействует с кислородом, в результате чего образуется оксид ванадия (V):

4V + 5O2 = 2V2O5.

Оксид ванадия (IV) образуется и при горении элемента на воздухе:

При достижении температуры выше 700 градусов по Цельсию ванадий реагирует с азотом, образуя нитрид:

При нагревании ванадия до температуры 200–300 градусов по Цельсию, он реагирует с галогенами. С хлором образуется хлорид ванадия (IV), с фтором - фторид ванадия (V), с йодом – йодид ванадия (II), с бромом – бромид ванадия (III),:

V + 2Cl2 = VCl4,

2V + 5F2 = 2VF5,

V + I 2 = VI 2,

2V + 3Br 2 = 2VBr 3.

Ванадий при достижении 800 градусов по Цельсию с углеродом образует карбид:

При спекании с кремнием и бором на высоких температурах образуется силицид и борид:

V + 2B = VB2.

При нагревании ванадий реагирует с фосфором и серой:

V + P = VP, может быть образование VP2,

2V + 3S = V2S3, может быть образование VS и VS2.

С водородом ванадий образует твердые растворы.

Ванадий располагается до водорода в ряду напряжений металлов, но, за счет защитной пленки, он довольно инертен, при этом не растворяется в воде, соляной кислоте, на холоде не вступает в реакции с разбавленной азотной и серной кислотами.

Ванадий реагирует с плавиковой кислотой, образуя фторидный комплекс:

2V + 12HF = 2H3 + 3H2;

Реагирует с концентрированной азотной кислотой, образуя нитрат ванадина:

V + 6HNO3 = VO2NO3 + 5NO2 + 3H2O;

Вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой, образуя сульфат ванадила:

V + 3H2SO4 = VOSO4 + 2SO2 + 3H2O

А также с царской водкой, образуя хлорид ванадина:

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

Элемент растворяется в смеси плавиковой и азотной кислоты:

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

При этом пассивирующую пленку оксида растворяет плавиковая кислота:

V2O5 + 14HF = 2H2 + 5H2O,