Биологическое значение ванадия реферат
Обновлено: 03.05.2024
Ванадий (от имени древне-скандинавской богини красоты Ванадис, Vanadis; лат. Vanadium) V, хим. элемент V гр. периодической системы, ат. н. 23, ат. м. 50,9415. Прир. В. состоит из стабильного изотопа 51V (99,76%) и слабо радиоактивного 50V (T1/2 1014 лет). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для прир. смеси изотопов 4,98*10-28 м2. Конфигурация внеш. электронной оболочки 3d34s2; степень окисления от + 2 до +5; энергия (эВ) ионизации при последоват. переходе от Vo к V5+ соотв. 6,74, 14,65, 29,31, 48,4, 65,2; электроотрицательность по Полингу 1,6; атомный радиус 0,134 нм, ионные радиусы (в скобках - координац. числа В.): V2+ 0,093 нм (6), V3+ 0,078 нм (6), V4+ 0,067 (5), 0,072 (6) и 0,086 нм (8), V5+ 0,050 (4), 0,060 (5) и 0,068 нм (6). Содержание В. в земной коре 1,9*10-2 % по массе (в почве -1,0*10-2 %), в воде океанов -3*10-7 %, золе растений - 6,1*10-3 %. Относится к рассеянным элементам. В своб. виде в природе не встречается. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl, деклуазит Pb(Zn, Cu)(VO4)(OH), моттрамит 5(Cu, Pb)O*V2O5*2H2O, тюямунит Ca(UO2)2(VO4)2*8H,O, карнотит K2(UO2)2(VO4)2*3H2O, роскоэлит KV2 [AlSi3O10](OH)2. В нек-рых магнетитовых, титаномагнетитовых и осадочных железных рудах и ванадийсодержащих фосфоритах содержится до 2,5-3,0% V2O5. В. также присутствует в окисленных медно-свинцово-цинковых рудах (в виде минералов), высокосернистых нефтях (до 300 г в 1т), битуминозных сланцах, асфальтитах. Мировые запасы В. (без СССР) - 42 млн. т.
Свойства. В. - серебристо-серый металл; кристаллич. решетка кубич. объемноцентрированная, а = 0,3024 нм, z = 2, пространств. группа Im3m. Т. пл. 1920°С, т. кип. 3400°С; плотн. 6,11 г/см3; Сp° 24,95 Дж/(моль*К); 23,05 кДж/моль, 474 кДж/моль (1900°С); So298 28,9 Дж/(моль*К); ур-ние температурной зависимости давления пара 1gр(мм рт. ст.) = - 26650/Т - 0,112*10-3Т + 10,815 (293 - 2173 К); температурный коэф. линейного расширения 8,98*10-6 К-1; теплопроводность 1,0 Вт/(м*К) (293 К); образца после холодной деформации 24,8*10-8 Ом*м, температурный коэф. 3,4*10-3 К-1 (273-373 К). В. парамагнитен, магн. восприимчивость массивного образца 5,48*10-9. Стандартный электродный потенциал V2+/V° - 1,50 В. Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние ниже 5,4 К. Для металла (очищенного иодидным методом) после отжига модуль упругости 141000 МПа; пределы пропорциональности, текучести и прочности при растяжении соотв. 85, 118 и 220 МПа; твердость по Бринеллю 600 МПа; коэф. Пуассона 0,36; относит. удлинение 17-45%. В. пластичен, при нагр. на воздухе выше 300°С становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластич. св-ва В. и повышают его твердость и хрупкость.
В. отличается высокой хим. стойкостью в морской воде, водных р-рах минер. солей, довольно стоек к действию разб. соляной к-ты, не взаимод. на холоду с разб. HNO3 и H2SO4. Реагирует с фтористоводородной к-той, концентрированными HNO3 и H2SO4, с царской водкой. Не взаимод. с р-рами щелочей, но в расплавах щелочей в присут. воздуха окисляется с образованием ванадатов. Кислород раств. в В., причем р-римость увеличивается с повышением т-ры. При содержании кислорода до ~ 1% кристаллич. решетка В. остается кубической (фаза), при больших содержаниях она перестраивается в тетрагональную (фаза), что, по-видимому, является осн. причиной сильного влияния кислорода на твердость В. При комнатной т-рефаза сохраняет гомогенность при содержании кислорода от 2,0 до 10,3%. При 600-700°С происходит интенсивное окисление компактного металла до V2O5 (см. также Ванадия оксиды).
Выше 700°С с N2 В. образует нитрид VN (желтые кристаллы, т. пл. 2360 °С), с углеродом и углеродсодержащими газами выше 800°С - карбид VC (черные кристаллы, т. пл. ок. 2830 °С, микротвердость 20900 МПа), с С12 - хлориды и оксохлориды, с F2 - фториды и оксофториды (см. Ванадия галогениды), с Н2 - твердые р-ры (р-римость Н2 в 100 г В. 122,6 см3). С металлами В. дает сплавы и интерметаллич. соединения. Ниже приводятся сведения о других соед. этого элемента.
Галлид (галлид триванадия) V3Ga - светло-серые кристаллы; не раств. в воде и орг. р-рителях. Получают его взаимод. V с Ga или галлиевой бронзой при 1300°С, хим. осаждением из газовой фазы с использованием VC14 и GaCl3 в присут. Н2. Сверхпроводник с критич. т-рой 16,8 К; обладает высокой плотностью тока в сильных магн. полях (до 1*105 А/см2 при 18 Тл). Применяют V3Ga при изготовлении обмоток соленоидов, кабелей для линий электропередачи, магнитов для магн. подвесок.
Диборид VB2 - серые кристаллы; т. пл. ок. 2400°С; не раств. в воде и орг. р-рителях. Получают восстановлением оксидов V бором или В4С в вакууме при 1500-1600 °С, спеканием V и В. Компонент жаропрочных сплавов, огнеупорный материал.
Силицид (силицид триванадия) V3Si - светло-серые кристаллы; т. пл. 1910°С (с разл.); не раств. в воде и орг. р-рителях. Получают его из V и Si конденсацией паров в вакууме или взаимод. в твердой фазе. Сверхпроводник с критич. т-рой 17,2 К. Перспективен для использования в магн. системах электротехн. устройств.
Сульфид (пентасульфид диванадия) V2S5 - черные кристаллы; раств. в р-рах сульфидов щелочных металлов с образованием красно-бурых р-ров тиованадатов - М3VS4, MVS3, M4V2S7; получают взаимод. V2S3 с избытком S при 400°С. Сесквисульфид V2S3 - черные кристаллы; при 1000°С диссоциирует с образованием VS; получают при действии CS2 на V2O5, нагретый до 700°С. Моносульфид VS - темно-коричневые кристаллы; получают нагреванием V2S3 в среде Н2 при 850-1100 °С или сплавлением S с V2O5 при 400 °С в среде СО2.
Концентраты с содержанием В. ок. 1% подвергают окомкованию и термич. упрочению (агломерации), а затем плавят в доменной печи. В. переходит в чугун, а при продувке последнего в конвертере воздухом или кислородом - в ванадиевый шлак (10-15% В.). Последний смешивают с Na2CO3, NaCl или СаСО3 и обжигают в окислит. среде при 750-900°С. Обожженную шихту выщелачивают водой или разб. H2SO4. Из р-ра, как и в предыдущем случае, выделяют хим. концентрат, содержащий после сушки до 92% V2O5.
Полученный по обоим способам хим. концентрат используют для выплавки феррованадия и др. сплавов. Феррованадий (35-80% В.) получают путем восстановления V2O5 ферросилицием или А1.
Значит. часть В. (в виде V2O5) получают в кач-ве побочного продукта при переработке фосфоритов, апатитов, патронитовых, карнотитовых, роскоэлитовых руд, бокситов, алунитов, медно-свинцово-цинковых и др. полиметаллич. руд, золы высокосернистых нефтей и нефтепродуктов, битуминозных сланцев. Патронитовые руды из-за большого содержания В. подвергают сначала окислит. обжигу, а затем восстановит. плавке в электропечах с получением феррованадия.
Применение. В. в осн. (на 85%) используют как легирующую добавку для сталей, резко повышающую их прочность, сопротивление усталости и износоустойчивость. В. в сталях быстрее, чем др. элементы, взаимод. с растворенным С, образуя твердые и жаростойкие карбиды, к-рые, равномерно распределяясь в железе, способствуют образованию мелкокристаллич. структуры.
В. используют также для легирования чугуна, как компонент сплавов для постоянных магнитов, жаропрочных, твердых и коррозионностойких сплавов, а также в кач-ве конструкционного материала для ядерных реакторов. Добавки В. в золото повышают твердость последнего.
Мировое производство В. составляет ок. 25 тыс. т/год (1981). Важнейшие страны-производители: ЮАР (~ 45%), США (~19%), Чили (-3%), Финляндия, Норвегия.
Соединения В. токсичны. Они могут поражать органы дыхания, пищеварения, систему кровообращения и нервную систему, а также вызывать воспалит. и аллергич. заболевания кожи.
В кач-ве микроэлемента В. входит в состав микроорганизмов, животных и растений. Нек-рые организмы, напр. асцидии, лишайники, избирательно концентрируют В.
Впервые В. был открыт в 1801 А. М. дель Рио. Однако позднее стали считать, что за новый элемент принят Сг. Лишь в 1830 существование В. было твердо установлено Н. Сефстрёмом и независимо от него Ф. Вёлером.
Список литературы
Химия пятивалентного ванадия в водных растворах, Свердловск, 1971 (Труды института Химии УНЦ АН СССР, в. 24); Борисенко Л.Ф., Ванадий (минералогия, геохимия и типы эндогенных месторождений), М., 1973;
Химия и технология редких и рассеянных элементов, под ред. К. А. Большакова, 2 изд., ч. 3, М., 1976, с. 3-37;
Слотвинский-Сидак Н. П., Андреев В. К., Ванадий в природе и технике, М., 1979;
1. Алиева А.К., Кубалова Л.М. Биологическая роль химических элементов в зависимости от положения в периодической системе Д.И. Менделеева // Современные наукоемкие технологии. –2014. – №7-2. – С. 93.
2. Кубалова Л.М. Медико-биологическая роль химических элементов. Учебно-методическое пособие. – Владикавказ: Изд-во Северо-Осетинского госуниверситета, 2004. – 57 с.
Ванадий содержится практически во всех живых организмах – как растительных, так и животных. Он относится к так называемым ультрамикроэлементам – то есть, элементам, которые содержатся в организме в минимальных количествах – не более 0,000001 %. В организм человека ванадий поступает с пищей. Большое количество ванадия содержится в растительном масле, грибах, петрушке, укропе, печени, жирном мясе, морской рыбе, сое, хлебных злаках. При попадании соединений ванадия в желудочно-кишечный тракт млекопитающих их абсорбция зависит от растворимости и химической природы этих соединений. Абсорбция хорошо растворимых ванадатов происходит в значительной степени (примерно до 10 % дозы), тогда как катионные формы с любой степенью окисления ванадия абсорбируются слабо вследствие гидролиза с образованием малорастворимых солей. Абсорбированный ванадий накапливается в основном в мягких тканях, причем его содержание уменьшается в следующем ряду: сердце, селезенка, щитовидная железа, легкие, почки. Примерно 5 % от поступившей в организм дозы ванадия распределяется в костной ткани.
Физиологическая роль ванадия в настоящее время недостаточно изучена. Одна из основных функций ванадия – это активизация деятельности клеток – фагоцитов, которые служат для очищения организма от всех вредных и посторонних веществ, а так же для его защиты. Ванадий препятствует развитию атеросклероза, контролирует работу ЦНС, регулирует уровень содержания сахара в крови, правильно распределяет соли кальция, помогает снизить процент содержания холестерина в крови, участвует в метаболизме тканей костей и зубов. Установлено, что ванадию свойственны функции катализаторов окислительно-восстановительных процессов. Ванадий усиливает поглощение кислорода тканями печени, катализирует окисление фосфолипидов изолированными ферментами печени. Ванадий способствует улучшению углеводного обмена. В связи с этой особенность многие учёные уверены, что в скором времени данный элемент будет активно применяться для лечения сахарного диабета – действие ванадия напоминает действие инсулина. Ванадий играет определенную роль в процессах кроветворения, проявляя антианемическое действие с гемостимулирующим эффектом, что проявляется в увеличении числа эритроцитов и ретикулоцитов, повышении уровня гемоглобина. Под воздействием ванадия клетки организма начинают правильно расти и развиваться, а, следовательно, он обладает противоопухолевым действием.
Суточная потребность составляет около двух миллиграммов ванадия. При этом только один процент данного вещества всасывается, остальное количество выводится из организма. Дефицит ванадия встречается довольно редко, и может проявляться в виде особых форм шизофрении или нарушения обмена углеводов в организме. Недостаток ванадия может сопровождаться снижением уровня холестерина и повышением содержания триглицеридов, печеночных липидов и фософлипидов в плазме крови. Основными проявлениями дефицита ванадия в организме являются увеличение риска развития атеросклероза, сахарного диабета.
Передозировка ванадия встречается гораздо чаще. Содержание ванадия в организме оценивается по результатам исследований крови, мочи, волос. В качестве показателя интоксикации организма ванадием используют результаты определения цистина в крови, моче, волосах и ногтях.
Особую опасность для человеческого здоровья представляет собой ванадий, который попадает в организм с вредными парами мазута или бензина. Последствиями в данном случае могут быть заболевания нервной системы, повышение кровяного давления. В наиболее серьёзных случаях может возникнуть астма, анемия, а также тяжёлые формы дерматита и экземы. Избыточные количества ванадия снижают уровень коферментов А и Q и стимулируют активность моноаминооксидазы. Для выведения чрезмерного количества ванадия применяются препараты, содержащие соединения его антагониста – хрома, а также хелатирующие лиганды, например, этилендиаминтетрауксусная кислота.
Таким образом, ванадий обладает важной биогенной ролью, используется как стимулятор при анемии, как лечебное средство при туберкулезе, неврастении, ревматизме и других заболеваниях. Ряд физико-химических и биохимических свойств ванадия и его соединений, а также существование ряда симптомов дефицита ванадия у животных и растений, позволяют отнести ванадий к жизненно необходимым элементам.
Содержание
Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления.
Нахождение в природе и получение в свободном виде.
Физические и химические свойства.
Свойства соединений.
Сплавы и применение метала и его соединения.
Список используемой литературы.
Работа содержит 1 файл
ванадий.docx
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА АВТОМОБИЛИ И МЕТАЛО ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ОБОРУДОВАНИЯ.
на тему метал: Ванадий.
Студент гр. Б01- 731-2з
- Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления.
- Нахождение в природе и получение в свободном виде.
- Физические и химические свойства.
- Свойства соединений.
- Сплавы и применение метала и его соединения.
- Список используемой литературы.
1.Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления.
Радиус нейтрального атома ванадия 0,134 нм, радиус ионов V2+ — 0,093 нм, V3+ — 0,078 нм, V4+ — 0,067-0,086 нм, V5+ — 0,050-0,068 нм. Энергии последовательной ионизации атома ванадия 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 и 65,2 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность ванадия 1,63.
В свободном виде — блестящий серебристо-серый металл.
2. Нахождение в природе и получение в свободном виде.
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 битуминозных песках 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 Pb5(VO4)3Cl, патронит V(S2)2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.
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, V2O5 или V2O3) или другими методами.
Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V2O3 или V2O5; путем восстановления V2O5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V2O3; путем магниетермического восстановления VCl3 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:
Этим обусловлена актуальность рассматриваемой темы курсовой работы, так как Натрий и его соединения играют важную роль в процессах жизнедеятельности растений и живых организмов.Целью данной курсовой работы является изучение свойств Натрия и его соединений, а также их участие в биогехимических процессах Земли. Провести обзор литературы на предмет истории открытия Натрия и его соединений.
Ванадий и его соединения находят все более широкое применение в металлургии, производстве, используют в качестве катализаторов неорганического и органического синтеза и т.д. В связи с этим требуется расширение сырьевой базы для производства ванадия. Одним из видов сырья являются бокситы. Поскольку сегодня обьем производства алюминия составляет десятки миллионов тонн, колличество ванадия получаемого в алюминиевом производстве, может быть весьма значительным. Ванадий влияет на качество алюминия при его производстве т.к он является вреднейшей примесью. В настоящий момент технологическая схема получения ванадия из алюмованадиевых шламов многостадийна и в ней велики потери ванадия. Необходим поиск новых эффективных и селективных методов извлечения ванадия. Одним из таких методов может стать экстракция, которую отличает простота аппаратурного оформления, высокая селективность и т.д.
В экономической литературе существуют различные точки зрения на природу маркетинга и его роль в современной экономике. Ввиду большого числа разных трактовок роли маркетинга представляется важным более точно определить, место и функции маркетинга в современной экономике, а также то, как меняется роль и значимость маркетинга в процессе экономического развития.
Список использованных источников
1. Каталымов М.В. Микроэлементы и микроудобрения М.: Химия, 1965. — 332 с.
2. Биогенные элементы и их физиологическая роль: учебное пособие / Ю.П. Афиногенов, И.А. Бусыгина, Е.Г. Гончаров: Воронежский государственный университет. – Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского университета, 2008. – 143 с.
4. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов / Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под ред. Ю.А. Ершова. — 4-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2003. — 560 с.
5. Голдовская Л. Ф. Химия окружающей среды: Учебник для вузов. — М.: Мир, 2005. — 296 с.
6. Хухрянский В. Г. Химия биогенных элементов: Учеб. пособие / В. Г. Хухрянский, А. Я. Цыганенко, Н. В. Павленко.— 2-е изд., перераб. и доп.— К.: Высш. шк., 1990.— 207 с.
Члены этой подгруппы — ванадий, ниобий и тантал — похожи друг на друга приблизительно так же, как Сr, Mo и W.
Ванадий открыт в 1830 г., ниобий — в 1801 г., тантал — в 1802 г. Природный ванадий состоит из двух изотопов — 50V (0,2 %) и 51V (99,8 %), тогда как ниобий (93Nb) и тантал (181Ta) являются “чистыми” элементами.
Для аналога тантала — радиоактивного элемента № 105 были предложены названия “Ганий” (На) и “Нильсборий” (Ns). В 1970 г. сообщалось о синтезе его изотопа с массовым числом 260 и средней продолжительностью жизни атома около 2 с.
Ванадий довольно широко распространён в природе и составляет около 0,005% от общего числа атомов земной коры. Однако богатые месторождения его минералов встречаются редко. Помимо таких месторождений, важным источником сырья для промышленного получения ванадия являются некоторые железные руды, содержащие примеси соединений этого элемента.
При выветривании минералов земной коры, содержащих ванадий, соединения этого элемента отчасти удерживаются почвой, отчасти выносятся поверхностными водами в океан. Так, современные донные отложения Кольского залива и Каспийского моря содержат около 0,02% ванадия. Наличие его в некоторых железных рудах осадочного происхождения, нефти и каменном угле свидетельствует о большой биологической роли этого элемента для отдельных видов животных и растительных организмов минувших эпох. Некоторые современные растения и простейшие морские животные (асцидии, голотурии и др.) также избирательно извлекают ванадий из окружающей среды и накапливают его в своих организмах. Установлено, что ванадием богаты мухоморы. На организмы теплокровных животных растворимые соединения ванадия действуют как сильные яды.
Содержание ниобия (2· 10-4 %) и тантала (2· 10-5 %) в земной коре значительно меньше, чем ванадия. Встречаются они главным образом в виде минералов колумбита [M(NbO3)2] и танталита [М(ТаО3)2] (где М — Fe, Mn), которые обычно образуют смеси друг с другом. Важной рудой ниобия является сложный по составу минерал лопарит (содержащий около 11 % Nb2O5).
Технологическая переработка руд V, Nb и Ta довольно сложна. Для получения свободных элементов может быть использовано взаимодействие их оксидов с металлическим кальцием по схеме:
Э2О5 + 5 Са = 5 СаО + 2 Э
Реакции начинаются при нагревании исходных смесей и протекают с большим выделением тепла (для ванадия — 807 кДж/моль). Металл выделяется в виде ковких корольков.
Для промышленного получения ниобия и тантала основное значение имеет электролиз их расплавленных фторидов К2ЭF7 (содержащих растворённые оксиды Э2О5). Металлы выделяются в виде порошков, которые переводят в компактное состояние методами порошковой металлургии.
Ванадий, ниобий и тантал представляют собой не изменяющиеся на воздухе серые металлы, в чистом состоянии хорошо поддающиеся механической обработке. Их физические свойства:
Температура плавления, ° С
Температура кипения, ° С
Относительная электропроводность (Hg=1)
В компактном состоянии все три металла весьма устойчивы по отношению к различным химическим воздействиям. Ванадий растворяется только в HF или в кислотах, являющихся одновременно сильными окислителями. Ниобий и тантал
нерастворимы во всех обычных кислотах и их смесях (царской водке и др.). Исключением является НF, сама по себе лишь медленно действующая на оба металла, но легко растворяющая их в присутствии сильных окислителей, например по реакции:
3 Та + 21 НF + 5 HNO3 = 3 H2[TaF7] + 5 NO + 10 H2O.
Растворы щелочей на рассматриваемые металлы почти не действуют, но в расплавленных щелочах они растворяются.
При переходе по ряду V- Nb- Ta металлы темнеют. Теплоты плавления составляют соответственно 21 (V), 27 (Nb) и 31 (Та) кДж/моль, а теплоты атомизации (при 25 ° С) равны 514 (V), 723 (Nb) и 782 (Ta) кДж/моль.
Высокая химическая стойкость Nb и Ta обусловлена легко протекающим образованием на поверхности обоих металлов тончайшей, но очень плотной оксидной плёнки, которая делает их “пассивными”. В отсутствие комлексообразования эти плёнки защищают Nb и Ta при любых значениях рН среды.
В виде порошков V, Nb и Ta при нагревании соединяются с кислородом, галогенами, серой и азотом. Все три металла способны поглощать значительные количества водорода, однако определённые соединения при этом не образуются.
Растворимость водорода в металлах подгруппы ванадия довольно велика, однако компактные металлы хорошо поглощают его лишь после предварительной подготовки (путём нагревания в атмосфере Н2 и затем в вакууме) или если они являются катодами при электролизе. Поглощение водорода сопровождается ростом твёрдости и хрупкости металла. При повышении температуры растворимость водорода последовательно уменьшается. В индивидуальном состоянии были получены NbH2 (серый, устойчивый на воздухе) и VH2 (медленно разлагающийся на воздухе), тогда как TaH2 получить не удалось.
Основной областью применения ванадия является металлургия специальных сталей, которым он сообщает весьма ценные качества. Использование ниобия и тантала ещё сравнительно невелико, но имеет тенденцию к быстрому развитию.
Ежегодная мировая добыча ванадия составляет примерно 50 тыс. тонн, причём выплавляется главным образом не сам металл, а феррованадий (35 ё 80 % V). Введение в сталь небольших количеств ванадия (порядка 0,2 %) значительно увеличивает её упругость, прочность на истирание и сопротивление разрыву. Ванадиевая сталь применяется для изготовления автомобильных и авиационных моторов, осей, рессор и т. д. Алюминиевые стали с присадкой ванадия важны для конструирования гидросамолётов и глиссеров, так как они характеризуются высокой прочностью, эластичностью и устойчивостью по отношению к действию морской воды. Значительную техническую ценность имеют и некоторые другие сплавы ванадия (например, ванадиевая бронза). Соединения ванадия применяются главным образом в резиновой, стекольной и керамической промышленности. Они часто служат также хорошими катализаторами (преимущественно окислительных реакций).
Основной областью применения ниобия является его введение в состав сталей, предназначенных для изготовления сварных конструкций. Применение это основано на том, что Nb резко повышает прочность сварных швов. Феррониобий содержит обычно 30- 75 % Nb. Ниобий не взаимодействует с некоторыми расплавленными металлами (щелочными, Sn, Pb и др.) и до 1100 ° С — с ураном, что важно для атомной техники. Небольшая добавка ниобия сильно повышает твёрдость меди и её сплавов. Специальные сплавы с участием ниобия (а также тантала) применяются в реактивной технике, ядерных реакторах, газовых турбинах и т. д. Работа выхода электрона для ниобия (4,0 эв) самая низкая среди чистых тугоплавких металлов. Находящаяся в разбавленной серной кислоте ниобиевая пластинка пропускает электрический ток только тогда, когда она является катодом. Такая униполярная проводимость может быть использована для выпрямления переменного тока. Ежегодная мировая добыча ниобия исчисляется сотнями тонн.
Чрезвычайная устойчивость тантала по отношению к различным химическим воздействиям (например, ниже 150 ° С на него практически не действуют ни сухие, ни влажные Cl2, Br2 и I2) наряду с высокой твёрдостью, ковкостью и тягучестью, делают этот металл особенно пригодным для изготовления различных ответственных частей заводской химической аппаратуры. Широкому развитию такого применения мешает лишь высокая цена тантала. Металл этот (а также и Nb) широко используется в радиотехнической промышленности и электровакуумной технике. Работа выхода электрона для тантала составляет 4,1 эв. Тонкие танталовые пластинки и проволоки являются важным вспомогательным материалом костной и пластической хирургии. Обусловлено это тем, что тантал, в противоположность другим металлам (кроме ниобия), совершенно не раздражает соприкасающуюся с ним живую ткань. В результате танталовые заплаты на черепе, сшивки костей и т. д. нисколько не вредят жизнедеятельности организма. Ежегодная мировая выработка тантала исчисляется сотнями тонн.
Наиболее типичны для ванадия и его аналогов производные пятивалентных элементов. Кроме того, известны соединения, отвечающие валентностям IV, III и II. При переходе по ряду V- Nb- Ta число таких соединений и их устойчивость уменьшается. Производные низших валентностей ниобия и тантала практического значения пока не имеют.
Оксиды пятивалентных элементов (Э2О5) образуются при прокализании мелко раздробленных металлов в токе кислорода. Из них V2O5 имеет явно выраженный кислотный характер, а у Nb2O5 и Ta2O5 он значительно ослабляется.
Красный ванадиевый ангидрид (V2O5) малорастворим в воде. Его жёлтый раствор содержит довольно слабую ванадиевую кислоту (HVO3). В щелочах V2O5 легко растворяется, образуя соответствующие ванадаты, из которых наиболее важен сравнительно малорастворимый ванадат аммония (NH4VO3), являющийся обычным реактивом ванадия.
Ванадиевый ангидрид удобно получать нагреванием NH4VO3 на воздухе. В мелко раздробленном состоянии он имеет оранжевый или жёлтый цвет. Расплавленный V2O5 (т. пл. 685 ° С) проводит электрический ток, что заставляет предполагать наличие незначительной электролитической диссоциации по схеме:
V2O5 Ы VO2+ + VO3- .
С водяным паром при 500- 600 ° С гемипентаоксид ванадия заметно летуч, что обусловлено, по-видимому, существованием равновесия по схеме:
V2O5(тв.) + 2 H2O(газ) Ы V2O3(OH)4(газ).
Насыщенный при обычных условиях водный раствор содержит около 0,04 % V2O5. Для него известны кристаллогидраты с 3, 2 и 1 молекулами воды, по составу отвечающие орто-, пиро- и метаформам ванадиевой кислоты. Растворимость V2O5 в разбавленных сильных кислотах значительно выше, чем в воде, что указывает на проявление ванадиевым ангидридом заметных признаков амфотерности.
Для ванадиевой кислоты (К = 2· 10-4) оба возможных направления электролитической диссоциации
VO3 + H Ы VO2OH Ы VO2 + OH
Читайте также: