Ванадий – это химический элемент с символом V и атомным номером 23. Он является переходным металлом, который обнаруживается в природе в виде различных минералов, таких как ванадинит и карнотит.
Ванадий имеет важное значение в металлургии благодаря своей способности улучшать прочность, стойкость к коррозии и другие механические свойства сталей и сплавов.
[Vanadium; по имени древнескандинавской богини красоты Ванадис (Vanadis)], химический элемент 5 группы периодической системы элементов, (устаревшая классификация — побочной подгруппы пятой группы, VB); ат. н. 23, ат. м. 50,9414.
Электронная конфигурация ванадия: [Ar] 3d34s2
Полная электронная конфигурация атома ванадия: 1s22s22p63s23p63d34s2
Металл серебристо-серого цвета. В соединениях может проявлять степени окисления от +2 до +5. Наиболее стойки и типичны соединения со степенью окисления +5.
Природный ванадий состоит из изотопов 61 V (99,75%) и 50 V (0,25%); получены изотопы 47 V, 48 V, 62 V и 53 V, важнейший иэ к-рых 48 V (период полураспада 16 ± 0,2 суток).
Ванадий был обнаружен (1801) мекс минералогом А. М. дель Рио в свинцовой руде. В 1831 существование ванадия окончательно установил шведский химик Н. Г; Сефстрем.
Металлический ванадий получил (1869) англ. химик Г.Э. Роско восстановлением хлорида (VC12) водородом.
В промышленности ванадий начали применять на рубеже 19— 20 вв. в качестве легирующей добавки к стали (произ-во броневых плит во Франции, стали для автомобилей на заводах Форда).
Содержание В. в земной коре 0,015%. В.— довольно распространенный, но рассеянный в породах и минералах элемент.
Входит в состав более 65 минералов: патронита, карнотита, роскоэлита, моттрамита, деклуазита, ванадинита, тюямунита и др.
Содержится в комплексных рудах др. металлов, в веществах органического происхождения (осадочных железных рудах, углях, битумах, нефти и др.), в морской воде.
Ванадий извлекают как побочный продукт при переработке уранового сырья, фосфоритов, бокситов и пр.
Кристаллическая решетка ванадия объемноцентрированная кубическая с периодом а = 3,024 А (т-ра 25° С); плотность ванадия чистотой 99,8— 99,9% (т-ра 20° С) 6,11 г/см3; tпл 1950° С; tкип 3309° С.
Температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 20—1100° С) 10,9 • 10-6 град-1; коэфф. теплопроводности при т-ре 100 и 500° С соответственно 0,074 и 0,088 кал/см • сек • град.
Среднее значение удельной теплоемкости при пост, давлении и т-ре 20—100° С составляет 0,119 кал/г • град; теплота плавления 82,5 кал/г; теплота испарения 2150 кал/г.
Упругость пара: при т-ре 1300 К составляет 1,34 • 10-10, при т-ре 2000 К —1,76 • 10-3, при т-ре 2600 К — 1,47, при т-ре 3000 К — 26,8 мм рт. ст.
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 4,5 ± 0,9 барн/атом. Мех. св-ва в значительной степени зависят от наличия примесей, особенно примесей внедрения.
В зависимости от содержания примесей получают ванадий от хрупкого и твердого (HV > 300 кгс/мм2) до пластичного и мягкого (HV = 60—80 кгс/мм2).
Микротвердость чистейшего ванадия — 65 кгс/мм2. Предел прочности чистотой 99,7—99,9% составляет 32—60 кгс/мм2, чистотой выше 99,9% — 19—22 кгс/мм2; предел текучести соответственно 28—45 и 11— 12 кгс/мм2.
Относительное удлинение в зависимости от чистоты от 17 до 45%, сужение поперечного сечения от 25 до 75—85%. Угол загиба без разрушения чистого ванадия составляет 180°.
Модуль упругости 13 800— 14 100 кгс/мм2, модуль сдвига 4730 кгс/мм2, модуль сжимаемости 55340 кгс/см2.
Удельное электрическое сопротивление ванадия чистотой 99,9% (т-ра 26° С) 22,6 • 10-6 ом • см. Ионизационный потенциал 6,8 эв.
Работа выхода 3,79 эв. Ванадий — сверхпроводник второго рода, т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 5,3 К (99,9% У). Для него характерны парамагнитные св-ва.
Отличается высокой хим. стойкостью в органических кислотах, в разбавленных неорганических к-тах (кроме фтористоводородной к-ты), при охлаждении, в морской воде, растворах различных солей, в расплавах щелочных металлов.
Растворяется в плавиковой, концентрированной азотной и серной к-тах, в «царской водке», в расплавленных щелочах.
При комнатной т-ре стойкий на воздухе. Окисление начинается при нагревании до т-ры 300° С и становится интенсивным при т-ре 600—700° С, когда образующаяся пятиокись ванадий расплавляется (tпл 675° С) и стекает с поверхности металла.
При повышенной т-ре реагирует с большинством неметаллов, образуя соответствующие соединения (карбиды, нитриды и т. д.).
Металлический ванадий получают восстановлением пятиокиси ванадия алюминием (металл чистотой 95%, к-рый служит исходным материалом для дальнейшего рафинирования др. методами.
Для произ-ва феррованадия и сплавов титан — ванадий — алюминий), кальцием или углеродом (использование углерода наиболее перспективно).
Восстановлением хлорида (VCl3) жидким магнием; термической, диссоциацией йодида (VI2) (получаемый металл — наиболее высокой чистоты).
Метод термической диссоциации используют и для рафинирования металла.
Черновой металл (чистотой 95—99%) рафинируют электролизом в солевой ванне (с помощью расплавленных хлоридов), переплавкой в индукционных, дуговых и электроннолучевых печах, зонной плавкой в высоком вакууме (до чистоты около 99,8—99,9%).
Плотный металлический ванадий получают плавкой, а также прессованием с последующим спеканием или горячим прессованием.
Для получения пластичного непористого ванадия необходим высокий вакуум (не ниже 10-5 мм рт. ст.) или среда чистого инертного газа, не должно быть взаимодействия с материалом тигля.
Плавка возможна в тиглях из BeO, ThО2, CeS и СаО (кратковременная).
Перспективна бестигельная плавка или плавка в водоохлаждаемом медном тигле.
Ванадий можно подвергать деформированию (ковке, волочению) в холодном состоянии с промежуточными отжигами.
В горячем состоянии — со спец. защитой (инертным газом, обработкой в оболочке); возможна ковка с кратковременным нагревом на воздухе с последующим удалением поверхностного твердого слоя.
При обработке резанием применяют высокие скорости резания с небольшой подачей, а в качестве смазки — керосин.
Отжиг с целью дегазации, снятия напряжений и получения макс, пластичности целесообразно проводить в высоком вакууме, в среде очищенного аргона или гелия при норм, или пониженном давлении, т-ра отжига 900—1000° С.
Основная область применения ванадия — произ-во спец. сталей. Ванадий может быть использован для изготовления покрытий топливных элементов и оболочек ядерных реакторов.
Ванадиевые листы и покрытия применяют в судостроении и химической аппаратостроении.
Ванадиевую фольгу используют в качестве прослойки при плакировании стали и тугоплавких металлов титановыми, циркониевыми сплавами.
А также сплавами благородных металлов; можно применять ванадий в качестве высокотемпературного припоя для тугоплавких металлов.
Из чистого ванадия изготовляют антикатоды рентгеновских трубок, рентгеновские фильтры для получения чистого Kа-излучения хрома.
Ванадий служит основой сверхпроводящих сплавов, твердых сплавов и др. сплавов со спец. св-ва-ми , присадкой к др. переходным металлам.
Соединения ванадия находят применение в химической промышленности (как активные катализаторы), в стекольной, текстильной и др. отраслях пром-сти.
Ванадий является как бы связующим между подгруппой VA и подгруппой VB. Его химия до такой степени напоминает химию подгруппы мышьяка.
Что в степени окисления + 5 ванадию соответствует кислота, гораздо более устойчивая, чем кислоты сурьмы и висмута — членов главной подгруппы.
Одновременно же этот элемент образует простое вещество в виде типичного устойчивого тугоплавкого металла. По количеству степеней окисления ванадий напоминает азот.
Правда, при низших степенях окисления из ряда +1, +2, +3, +4 свойства образуемых им соединений уже напоминают больше химию металла, чем неметалла.
По стабильности валентные состояния ванадия неравноценны. Самым устойчивым состоянием ванадия является +4, а степень окисления +1 подтверждается его органическими производными.
В комплексах K5[V(CN)5NO] и карбонилах [V(CO)6]¯ и V(CO)6 при координационном числе, равном 6, его степень окисления —1 или даже нуль.
В виде металла с чистотой, близкой к 100%, ванадий — серебристо-серый металл, ковкий, пластичный, твердый и стойкий к коррозии.
Небольшие примеси углерода резко меняют его температуру плавления: чистый плавится при ~1900°C, а с добавкой углерода температура плавления поднимается до ~2700° С.
При этом металл становится твердым и хрупким.
Ванадий при комнатной температуре устойчив к большинству реагентов: воде, кислороду, щелочам, не окисляющим кислотам, за исключением плавиковой, которая легко растворяет оксидную пленку ванадия:
V2O6 + 12HF = 2Н[VF6] + 5Н2O
Растворяется ванадий в азотной кислоте, «царской водке», концентрированной серной кислоте :
V + 4H2SO4 = V(SO4)2 + 4Н2O + 2SO2
При повышении температуры до 500—700° С он реагирует с большинством неметаллов :
t°
V + 2Cl2 → VCl4
V+2S → VS2
4V + 5O2 (< 700° ) → 2V2O5 (> 700°)→ 4VO2 + O2
Элемент образует целый ряд оксидов ванадия (например .
Их характер меняется от основного у VO и V2O3 до кислотного V2O5, который образует при растворении в воде бледно-желтый раствор слабой ванадиевой кислоты.
Соли этой кислоты образуются при взаимодействии ванадия с расплавом щелочей :
4V + 12NaOH + 5O2 = 4Na3VO4 + 6Н2O
Известны его соединения со всеми галогенами , а также нитриды, сульфиды, арсениды и силициды.
Для техники важен высокотвердый и тугоплавкий карбид ванадия VC, нитрид VN, а для производства серной кислоты сульфат ванадила VOSO4.
Ванадий в земной коре более распространен ,чем медь, цинк или свинец, однако крупные месторождения его крайне редки.
Получают его при обжиге полиметаллических руд (обычно в виде феррованадия), далее переводят в металл восстановлением кальцием, углем, водородом или йодидным способом.
Главное применение ванадия — получение высококачественной стали и сплавов.
Ванадий — элемент, активно участвующий в процессах, совершающихся в живой природе. Он находится в целом ряде растений, а содержание его у морских ежей и голотурий достигает 10%.
О роли его в организмах существуют две гипотезы: одна утверждает, что он участвует в процессах дыхания (как железо в гемоглобине).
Согласно другой — ванадий прежде всего участвует в процессах питания. Опыты по введению ванадия в пищу животных показали, что он благотворно влияет на аппетит.
Лит.: Савицкий Е. М., Бурлавов Г, С. Металловедение тугоплавких металлов и сплавов. М., 1967; Гончаре н-к о А. С. Электрохимия ванадия и его соединений. М., 1969; Ефимов Ю. В., Барон В. В., Савицкий Е. М. Ванадий и его сплавы. М., 1969
Статья на тему Ванадий