Ванадий (Vanadium) является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 23 и условным обозначением V. Ванадий в свободном виде представляет собой твердый серо-стальной переходный металл с голубоватым мерцанием.
Открытие
Такой химический элемент как ванадий исторически был открыт в Мексике в 1801 году испано-мексиканским минералогом Андресом Мануэлем дель Рио. Ученый извлек соединение из образца мексиканской «бурой свинцовой» руды, которая позже получило название ванадинит. Рио обнаружил, что его соли имеют самые разные цвета, и в результате назвал элемент панхром (от греч. παγχρώμιο «все цвета»). Позже дель Рио переименовал элемент в эритроний (от греч. ερυθρός «красный»), потому что большинство солей при нагревании становились красными. В 1805 году французский химик Ипполит Виктор Колле-Дескотильс, поддержанный другом дель Рио бароном Александром фон Гумбольдтом, ошибочно заявил, что новый элемент дель Рио был образцом хрома с примесями. Дель Рио согласился с заявлением его коллеги Колле-Дескотилса и отказался от своего заявления о новом элементе.
Только в 1831 году шведский химик Нильс Габриэль Сефстрём успешно открыл данный химический элемент, но уже в новом оксиде, который он обнаружил при работе с железными рудами. Чуть позднее в том же году Фридрих Вёлер подтвердил, что этот новый элемент идентичен элементу, обнаруженному дель Рио, и, следовательно, подтвердил более раннюю работу дель Рио. Сефстрем выбрал имя, начинающееся с буквы V, которое еще не было присвоено ни одному открытому химическому элементу. Он назвал элемент ванадием в честь древнескандинавского Ванадис (другое имя скандинавской богини ванов Фрейи, чьи атрибуты включают красоту и плодородие) из-за множества красиво окрашенных химических соединений, которые он производит. Узнав об открытиях Вёлера, дель Рио начал страстно настаивать на признании его выбранного имени для элемента, но в конечном итоге было установлено название ванадий. В 1831 году геолог Джордж Уильям Фезерстонхау предложил переименовать ванадий в «рионий» в честь дель Рио, но и этому предложению не дали утверждение.
Металлический ванадий был впервые получен Генри Энфилдом Роско в 1867 году путем восстановления хлорида ванадия (II) водородом. Джон Уэсли Марден и Малкольм Рич впервые смогли получить ванадий чистотой 99,7% в 1925 году путем восстановления оксида ванадия (V) кальцием.
Впервые данный элемент был использован в 1903 году, когда в Англии была произведена первая сталь, содержащая ванадий. Более широкое использование этого элемента в сталелитейной промышленности началось в 1905 году, когда Генри Форд использовал ванадиевые стали для производства констркционных элементов автомобилей.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1910 ° С |
| Точка кипения | 3377°С |
| Плотность при Н.У. | 6,11 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 7.0 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 17,5 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 460 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 24,95 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 8,35 см³ ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 23 |
| Атомная масса | 50,9415 |
| Электронная конфигурация | 3d³4s² |
| Радиус атома | 134 пм |
| Ковалентный радиус | 122 пм |
| Степени окисления | 0, +2, +3, +4, +5 |
| Радиус иона | 59 пм |
| Электроотрицательность | 1,63 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 650,1 кДж/моль |
| Изотопы | ⁴⁸V; ⁴⁹V; ⁵⁰V; ⁵¹V |
Интересное:
Добыча и производство
Ванадий является достаточно распространенным химическим элементом во Вселенной. Его содержание оценивается учеными в 0,0001%, а это означает сопоставимость с распространенностью цинка или меди. В земной коре содержание ванадия оценивается в 120 частей на миллион и соответствует 19 позиции по распространенности.
Сам химический элемент редко встречается в природе в чистом виде и именно по этой причине его внесли в список самостоятельных минералов только в 2021 году. Всего минералов содержащий ванадий известно около 70, но наиболее коммерчески важными являются ванадинит [Pb5 (VO4)3Cl], десклоизит Pb(Zn,Cu) [OH|VO4] и карнотит [K2(UO2)2(VO4)2 · 3H2O], а также сульфид ванадия патронит VS4. Ежегодное мировое производство ванадия составляет около 110 000 тонн и лидирующие позиции в производстве занимают Китай, Россия и Южная Африка.
Производство чистого ванадия является достаточно трудоемким и энергозатратным процессом, который осуществляется в несколько этапов. На первом этапе из исходных материалов (вышеперечисленные минералы) необходимо получить оксид ванадия.
Его в большинстве случаев выделяют как побочный продукт при производстве стали. Железные руды, содержащие ванадий, восстанавливаются до железа в доменном процессе, но ванадий изначально остается в чугуне . Для дальнейшей переработки чугуна в сталь во время рафинирования вдувают кислород и ванадий на данном этапе переходит в шлак. Шлак в свою очередь содержит около 25% оксида ванадия (V) и является наиболее важным источником извлечения чистого металла. Чтобы получить чистый оксид ванадия (V), тонкоизмельченный шлак окисляют солями натрия, такими как хлорид натрия или карбонат натрия. При этом образуется водорастворимый метаванадат натрия , который отделяется от оставшегося шлака выщелачиванием. При добавлении кислоты и солей аммония из раствора выпадает осадок в виде нерастворимого поливанадата аммония. Его можно превратить в оксид ванадия (V) путем обжига. Таким же способом оксид ванадия получают и из других ванадийсодержащих руд.
Фактическое извлечение ванадия происходит путем восстановления оксида (V) другими металлами в числе которых могут быть алюминий или кальций по химической формуле:
V2O5 + 5Ca → 2V + 5CaO
Металл, который получается в ходе вышеописанной реакции дает чистоту порядка 95%. Повысить чистоту элемента можно либо электрохимически, либо с использованием процесса Ван Аркеля-де Бура. Для этого чистый ванадий расплавляют вместе с йодом в безвоздушной стеклянной ампуле. Йодид ванадия(III), образующийся в нагретой ампуле, разлагается на горячей вольфрамовой проволоке с образованием ванадия и йода высокой чистоты по химической формуле:
2VI3 → 2V + 3I2
Данный метод очистки для получения ванадия производится не часто, так как большая часть производимого ванадия используется в виде сплава под названием феррованадий.
Интересное:
Применение
Как уже было отмечено выше, более 90% производимого ванадия используется для изготовления сплавов. В основном его сплавляют с железом, титаном, никелем, хромом, алюминием или марганцем. От оставшейся части около 1% используется в чистом виде, а остальное применение ванадий находит в соединениях в виде оксида ванадия (V).
Чистый ванадий используется в качестве материала оболочки ядерного топлива из-за его низкого сечения захвата нейтронов. Остальные применения чистого металла могут затрагивать ювелирное дело и изготовление сувенирной продукции(памятные монеты). Оксид ванадия в виде пентоксида (V2O5) используется в качестве катализатора при производстве серной кислоты контактным способом. Кроме того, таким же способом оксид используется для получения малеинового и фталевого ангидрида. Диоксид ванадия VO2 применяется для изготовления полупроводникового материала, который является базой для термисторов.
Все остальные применения ванадия приходятся на сталелитейное производство и металлургию. Даже в небольших количествах ванадий значительно повышает прочность и ударную вязкость сталей и, следовательно, их износостойкость . Это вызвано образованием твердого карбида ванадия. В зависимости от назначения применения добавляются разные количества ванадия. Конструкционные и инструментальные стали содержат лишь небольшие количества (0,2–0,5%) ванадия, а быстрорежущие стали могут содержать до 5%. Ванадийсодержащие стали в основном используются для изготовления механически нагруженных инструментов или пружин(рессор). Титановые сплавы, содержащие ванадий и обычно алюминий, отличаются особой стабильностью и жаростойкостью и применяются в авиастроении для изготовления силовых деталей и лопаток турбин авиационных двигателей.
Интересное:
Безопасность
Все соединения ванадия следует считать токсичными. Некоторые источники утверждают, что четырехвалентный VOSO4 по меньшей мере в 5 раз более токсичен, чем трехвалентный V2O3 при вдыхании. Управление по безопасности и гигиене труда США (OSHA) установило предел воздействия 0,05 мг/м3 для пыли пятиокиси ванадия и 0,1 мг/м3 для паров пятиокиси ванадия в воздухе рабочего места в течение 8-часового рабочего дня (40-часовая рабочая неделя). Национальный институт охраны труда США (NIOSH) рекомендовал признать 35 мг/м3 ванадия чрезвычайно опасными для жизни и здоровья, то есть способными вызвать необратимые проблемы со здоровьем или смерть. Плбс ко всему вышеперечисленному, не стоит забывать что ванадий является металлом и его мелкодисперсная пыль способна к воспламенению и даже взрыву.