Сообщение на тему ванадий

Обновлено: 08.07.2024

В природе ванадий в свободном виде не встречается, относится к рассеянным элементам. Содержание ванадия в земной коре 1,6×10 –2 % по массе, в воде океанов 3,1×10 -7 %. Важнейшие минералы: патронит V(S₂)₂, ванадинит Pb₅(VO₄)₃Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Получение

Физические свойства

Ванадий по внешнему виду похож на сталь, это достаточно твердый, но вместе с тем пластичный металл.

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, V₂O₃, VO₂,V₂O₅. Оранжевый V₂O₅ — кислотный оксид, темно-синий VO₂ — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные.

С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX₂ (X = F, Cl, Br, I), VX₃, VX₄ (X = F, Cl, Br), VF₅ и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl₂, VOF₃ и др.).

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°С), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V₂S₅, силицид ванадия V₃Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V₂O₅ с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава H₂[O(V₂O₅)₂].

Применение

Металлурги

серной кислоты, при крекинге сырой нефти. Соединения ванадия находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности

Атомно-водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике(ванадий-хлоридный цикл "Дженерал Моторс",США).

Химические источники тока

Пятиокись ванадия широко применяется в качестве положительного электрода(катода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах.Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

Биологическая роль и воздействие

Ванадий постоянно присутствует в тканях всех организмов в ничтожных количествах. В растениях его содержание (0,1—0,2 %) значительно выше, чем в животных (1×10 –5 —1×10 –4 %). Некоторые морские организмы — мшанки, моллюски и, особенно, Токсикология

Что представляет собой

Ванадий – это серебристо-серый металл, внешне напоминающий сталь.

Причислен к группе тугоплавких металлов. По некоторым классификациям считается тяжелым металлом.

Химический элемент системы Менделеева №23, международное обозначение – V, Vanadium.

Вещество наделено прочностью, пластичностью.

История открытия

Название тоже подобралось не сразу:

Отдать должное первооткрывателю Дель Рио попытался геолог Джордж Фезерстонхау.

Физико-химические характеристики

Основные свойства металла:

Растворяется царской водкой, плавиковой кислотой, горячими концентрированными азотной, серной кислотами.
Пластичен, порог появления хрупкости – +300°C.
Хрупким металл делают примеси азота, кислорода, водорода.
Соединения вещества токсичны.

Известны следующие оксиды ванадия:

Систематическое наименование	Хим. формула	Плотность, г/см³	Температура плавления, °C	Температура кипения, °C	Молярная масса, г/моль	Цвет
Оксид ванадия(II)	VO	5,76	~1830	3100	66,94	Чёрный
Оксид ванадия(III)	V2O3	4,87	1967	3000	149,88	Чёрный
Оксид ванадия(IV)	VO2	4,571 г/см³	1542	2700	82,94	Тёмно-голубой
Оксид ванадия(V)	V2O5	3,357	670	2030	181,88	Красно-жёлтый

Свойства атома
Название, символ, номер	Вана́дий / Vanadium (V), 23
Атомная масса (молярная масса)	50,9415(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 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

Оксиды металла разной валентности отличаются по цвету: черный (II III), глубокий голубой (IV), оранжевый (V).

Нахождение в природе

Металл не относится к редким элементам: на планете он 20-й по распространенности.

Каждая тонна земной коры содержит в среднем 260 г ванадия.

Это рассеянный элемент, в свободном виде в природе не представленный:

Главный источник ванадия как металла – магматические породы (базальты, габбро), бокситы, железные руды.
Его соединения зафиксированы в океанской воде. Из нее металл извлекают, например, японцы.
Самый экзотичный источник металла – асцидии. Эти морские обитатели высасывают металл прямо из воды.

Зола асцидий богаче ванадием, чем большинство земных месторождений.

Технология получения

Основной поставщик вещества – железные руды с примесью ванадия.

Металлический продукт получают несколькими способами:

Термовосстановление оксида из карбонатов, соединений кальция, магния.
Термическое разложение иодида ванадия.

Высокой чистоты (95-99%) продукта добиваются рафинированием. Для этого задействуется электролиз расплава галогенидов вещества и вакуумная плавка.

Бруски ванадия 99,95 % чистоты, полученные переплавкой в электронном пучке. Поверхность брусков протравлена для проявления структуры

Российскими учеными созданы наногабаритные модификации оксида ванадия.

Области применения

Свойства ванадия обусловили его востребованность гражданским и военным промышленным комплексом.

Металлургия

90% сырья забирает металлургия. Здесь главный способ применения ванадия – как добавки-лигатуры к сталям:

Благодаря ему стали, титановые сплавы делаются прочнее, вязче, эластичнее, устойчивее к износу, коррозии, жару.

Продукция представлена прокатом (прутки, проволока, лист, трубка), слитками, порошком.

Российская номенклатура сталей предусматривает маркировку ванадия в их составе буквой Ф.

Есть варианты с покрытием для регионов с экстремальным климатом.

Самые востребованные соединения металла – сплавы с титаном и хромом. Из последнего выполняют ручной инструмент (например, гаечные ключи, ножи).

Хром в сплавах понижает токсичность ванадия.

Другие отрасли промышленности

Металл, сплавы используются в широком ассортименте операций и изделий:

двигатели самолетов, ракет, другой космической техники;
постоянные магниты;
литиевые батареи, аккумуляторы;
крекинг нефти.

Также применяется атомно-водородной энергетикой (ядерные реакторы), как химический источник тока.

Это стойкий пигмент для лаков, красок, керамики, текстиля, стекла.

Одной массовой части пятиокиси ванадия достаточно для яркой окраски 200 тысяч частей бесцветной анилиновой соли.

Соединения металла – катализатор при производстве серной кислоты.

Она – исходник для создания нитроклетчатки. А нитроклетчатка – основной компонент пороха.

Ванадиевые месторождения есть в нескольких странах, включая Россию и США. Однако половина мирового производства сосредоточена в Китае.

Он и диктует цены. Особенность ценообразования – учет вида продукции.

Самые дорогие позиции – пруток и прокат ванадия ($1800-2000/кг). Слитки на порядок дешевле, на два порядка – оксид, другие соединения.

Значение для человека

В организме человека металл аккумулируется костной и жировой тканями.

Суточная потребность человека в ванадии – 10-60 мкг, в зависимости от возраста и массы тела.

Как правило, она обеспечивается продуктами питания.

Металлом богаты разные пищевые группы:

крупы – гречка, неочищенный рис;
бобовые – горох, фасоль;
злаки – пшеница, рожь, овес, ячмень;
овощи – картофель, свекла, морковь, редис, салат;
фрукты, ягоды – вишня, груша, земляника.

Токсичен переизбыток вещества. Это фактор риска для работников металлургических предприятий.

Удивительный металл, который неизвестно зачем накапливают асцидии и мухоморы. Ванадия много в морской и минеральной воде. А источники горы Фудзиямы содержат рекордное (до 54 микрограмм на литр) количество металла. Отчего природа так распорядилась своим богатством, еще предстоит выяснить ученым.

История ⌛

Ванадий — металл, который открыли два раза.

Первый раз это было, когда минералог дель-Рио исследовал свинцовые руды из Мексики.

Дель-Рио сообщил ученому миру об открытии, и ревнивые химики ринулись перепроверять опыты. То же проделал и минералог. То ли он разочаровался в открытии, то ли что-то еще, но от открытия он отказался.

Имя дали в честь прекрасной скандинавской богини любви и войны Фрейи, или Ванадис.

Свойства 🧪

Простое вещество расположено в V группе четвертого периода таблицы Менделеева.

Только характеристиками сильно отличается.

Химические свойства ванадия:

При нагреве до 200-300 градусов образует с галогенами соединения (йодид, бромид, фторид).
Нагрейте металл до 700 градусов, и он прореагирует с азотом; получится нитрид 2VN.
В реакции с кислородом дает несколько разновалентных окислов. Известны модификации окисла ванадия V2O5, существующие при высоких давлениях.
С водородом образует твердые растворы.

Известны следующие оксиды ванадия:

Систематическоенаименование	Хим. формула	Плотность, г/см³	Температура плавления, °C	Температура кипения, °C	Молярная масса, г/моль	Цвет
Оксид ванадия(II)	VO	5,76	~1830	3100	66,94	Чёрный
Оксид ванадия(III)	V2O3	4,87	1967	3000	149,88	Чёрный
Оксид ванадия(IV)	VO2	4,571 г/см³	1542	2700	82,94	Тёмно-голубой
Оксид ванадия(V)	V2O5	3,357	670	2030	181,88	Красно-жёлтый

Растворяется в смеси HF + HNO3.

Со щелочами не реагирует. С металлами образует сплавы.

Свойства атома
Название, символ, номер	Вана́дий / Vanadium (V), 23
Атомная масса (молярная масса)	50,9415(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 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
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[2] 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[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	8,35 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,024 Å[2]
Температура Дебая	390 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 30,7 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-62-2

Вот такой тяжелый характер у металла.

Добыча: из руды, асцидий и мухоморов ⛏️

Основными месторождениями владеют:

Лидером в производстве ванадия является Китай, он и диктует цены на металл.

Некоторые мухоморы тоже очень богаты ванадием. Так что и в наших лесах можно открывать добычу ценного элемента.

Наш пострел везде поспел ⚙️

Применение ванадия и его соединений ограничивается довольно высокой ценой. Но во многих случаях эти вещества просто необходимы.

Почти весь ванадий (по разным данным от 87% до 90%) использует черная и цветная металлургия.

По статистике ванадий лидер среди легирующих металлов. Используется для придания сплавам требуемых свойств.

Ванадиевая лигатура придает сплавам износоустойчивость, хорошо повышает вязкость и прочность сплавов.

Все свойства ценного металла еще не исследованы; металлурги и ученые находят все больше привлекательных характеристик металла Ванадис.

Оставшиеся проценты используют:

автомобильная промышленность;
электроника;
производители серной кислоты (в качестве катализатора вместо очень дорогой платины);
в литиевых аккумуляторах и батареях;
при крекинге нефти;
производство красок и керамики.

Соединения ванадия использует атомно-водородная энергетика.

Многоцветьем соединений ванадия пользуются в производстве тканей для их окраски.

Война требует порох, а для его производства нужна серная кислота.

Купить металл богини Ванадис 💰

Металл продают в виде порошка и слитков. Желающие могут купить прокат ванадия: проволоку, прутки, листы, полосы, трубчатый профиль.

Ванадий — удовольствие не дешевое. Посмотрите цены и убедитесь.

Продукция	Цена в рублях за килограмм
Лист	От 20 000
Пруток	От 30 000
Проволока	От 45 000

Однако металл богини Ванадис того стоит.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Ванадий – твёрдый пластичный металл серебристо-белого цвета. Самый редко встречающийся из чёрных металлов в земной коре, получивший своё название в честь древней скандинавской богини за красивую окраску соединений.

Прочный, пластичный минерал кристаллической структуры.
Хорошо поддаётся сварке.
Тугоплавкий элемент, температура плавления порядка +1900 0 C.
Температура кипения равняется +3400 0 C.
Плотность составляет 6,11т/м 3 .
При нагревании свыше +300 0 C теряет пластичность, и приобретает хрупкость. То же самое происходит и при соединении ванадия с азотом, водородом и кислородом. Однако в подобных случаях повышается его твёрдость.

В химическом отношении ванадий достаточно стоек к коррозии и воздействию неконцентрированных кислот, а также щелочей. При вступлении в реакцию с кислородом образует целый набор оксидов.

Методы добычи

Главной проблемой при добыче ванадия является то, что сам металл пребывает в земной коре только в рассеянном состоянии и собственных минералов не образует. Его присутствие ощущается в железных и титанованадиевых рудах, являющихся основными источниками промышленного получения минерала. Наиболее важными минералами в таком случае выступают ванадинит, патронит, титановые минералы, встречающиеся в биолитах, бокситах, битумных сланцах и ооливитовых рудах.

Йодидный

В основе метода, используемого для термической диссоциации йодида, с целью получения ванадия высокой степени чистоты, лежит:

Первичное образование летучего соединения в одной из зон закрытой камеры при нагревании до +400-600 0 C. Именно при таких условиях происходит химическая реакция соединения, в результате которой появляется иодид ванадия в газообразной форме.
Вторичное разложение иодида с осаждением чистого металла на камерных поверхностях. Осуществляется данный процесс при температуре в +1300-1700 0 C.

Кальциетермический

Процесс восстановления оксида ванадия в герметичной стальной бомбе, предварительно заключённой внутрь магнезитового тигля, носит название кальциетермического метода добычи. Так как в роли восстановителя выступает кальций. Реакция связана со значительным выделением тепла, вполне достаточного для плавки ванадия, чистота которого по окончании процесса достигает 99,5%.

Тем не менее, способ не получил широкого распространения вследствие необходимости тщательной предварительной подготовки исходных материалов: кальция в виде металлической стружки и пятиокиси ванадия.

Алюмотермический

Алюмотермия, основы которой были заложены в середине XIX века выдающимся русским химиком Н. Н. Бекетовым, представляет собой способ восстановления оксидов металлов (в нашем случае ванадиевого ангидрида) металлическим алюминием. При этом температура проводимой реакции может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию.

Естественно, что столь жёсткие технологические условия приводят к целому ряду проблем, среди которых:

Необходимость особо тщательной подготовки, как самих исходных материалов, так и места проведения реакции (футеровка, розжиг, защита от взрывов).
Большой расход алюминия.
Нестабильность процесса при разной концентрации кислорода в сырье.
Пониженное количество продукции на выходе.

Вакуумный углетермический

Один из самых перспективных методов, суть которого заключается в предварительном восстановлении пятиокиси ванадия до трёхокиса в водородной среде при температуре +500-600 0 C. После чего в специально созданном вакууме под воздействием углерода, содержащегося в газовой саже, подмешиваемой к перерабатываемому продукту, осуществляется реакция восстановления ванадия до спектрально чистых материалов. Температурный режим реакции поддерживается на уровне +1250-1700 0 C.

Преимуществом данной технологии является возможность непрерывного контроля, возможность организации удаления газов и низкая стоимость восстановительного компонента.

Хлоридный

Используемый в качестве сырья феррованадий подвергают хлорированию. Далее, полученный хлорид ванадия восстанавливают с помощью жидкого расплавленного в газообразном аргоне магния. В результате этого процесса получают губчатый металлический ванадий 99,5% чистоты.

Процесс более безопасен и эффективен в экономическом плане, чем кальцие- и алюмотермические технологии.

Повышение чистоты металла

Уровень современного потребления требует получения ванадия высокого уровня чистоты. Так как даже незначительное количество примесей в виде азота, водорода, кислорода и углерода существенным образом снижают его механические свойства. При этом они ещё и трудно удаляемые. Другие химические элементы не оказывают столь негативного влияния на качество металла.

Электронная бомбардировка

Один из способов повышения частоты ванадия заключается в вакуумной переплавке методом электронной бомбардировки. Нагрев в таком случае весьма эффективен и позволяет получать специальные сорта металла, востребованные даже в атомных реакторах.

Электрорафинирование

Применяется для дальнейшей очистки чернового ванадия от примесей. Кальциетермический ванадий в виде кусков используемых в качестве анода и молибденовый стержень, являющийся катодом, помещают в расплав при температуре +620 0 C. Двухступенчатый процесс, осуществляемый в инертной газовой среде под воздействием напряжения в 0,5 В, позволяет получить пластичный материал для ядерной энергетики.

Сфера применения

Водородная энергетика

Производство серной кислоты

Более ста лет назад ванадий смог заменить платину при производстве серной кислоты. Его присутствие значительно ускоряет медленно текущую реакцию между сернистым ангидридом и кислородом, да и в количественном отношении ванадия требуется значительно меньше, чем драгоценного металла.

Автомобильная промышленность

Благодаря своим уникальным свойствам ванадий находит широкое применение в автомобилестроении. Важность этого элемента в данной отрасли подчёркивал ещё Генри Форд – знаменитый американский предприниматель.

Дело в том, что даже десятые доли процента присутствия этого элемента в стали значительно увеличивают её прочность и упругость. А это, в свою очередь уменьшает вес готового автомобиля, увеличивает срок службы элементов его конструкции, сокращает расход топлива и позволяет сохранять долговечность покрышек и дорожного полотна.

Причиной такой экономии является использование ванадиевой стали для изготовления валов, осей, шестерён, рессор и моторов.

Металлургия

Львиную долю – свыше 90% производимого ванадия потребляет металлургия. Использование этого металла в качестве легирующего материала позволяет получать быстрорежущие, высокопрочные, конструкционные, инструментальные, нержавеющие марки сталей. Кроме того, с его помощью создаются титановые сплавы, обладающие повышенной прочностью. Не зря ванадий занимает лидирующие позиции среди элементов, используемых для легирования в чёрной и цветной металлургии.

Понятно, что столь ценные по своим качествам металлические сплавы находят широкое применение в машиностроении, производстве средств вооружения, на транспорте, в энергетике и космической отрасли.

Нефтедобыча

Помимо того, что ванадиевая сталь отлично зарекомендовала себя в качестве материала для строительства морских нефтяных платформ, сам металл очень часто присутствует в тяжёлых фракциях нефти. Кроме того, ванадий является катализатором ряда нефтеперерабатывающих процессов.

Месторождения в России и мире

Хотя ванадий встречается гораздо чаще цветных металлов, но непосредственно собственные месторождения этого химического элемента достаточно редки. Гораздо чаще он является сопутствующим элементом других минералов.

По своему происхождению залежи этого минерала, имеющие практическое значение подразделяются на месторождения выветривания, магматические, метаморфогенные, осадочные и россыпные.

На территории России:

Магматические залежи представлены:

Восточно-Уральскими месторождениями – Первоуральским, Качканарским, Гусевогорским.
Западно-Уральскими – Копанским, Кусинским, Маткальским и Медведевским.
Карело-Кольскими. Елеть Озером и Пудожгорским.
Кузнецко-Саянскими. Кедранским и Лысаковским.
Восточно-Забайкальскими. Кручининским.
Сибирскими трапповыми. Байкитиковым и Камышевским месторождениями.

Осадочные залежи с высоким уровнем содержания ванадия – это нефтяные сернистые месторождения Поволжья и Урала.

Крупнейшие зарубежные ванадиевые месторождения:

Магматические. Лак-Тио, Миллз, Пьюиджелон в Канаде; Тегавус в США; Родсенд и Сельвог в Норвегии; Таберг в Швеции; Бушвельд в ЮАР; Баррамби в Австралии.
Выветривания. Брокен-Хилл на территории Замбии. Абенаб, Берг-Аунас, Тсумеб в Намибии. Также месторождения подобного типа распространены в США, Мексике, Аргентине, Австралии.
Прибрежно-морские россыпи ванадия находятся на берегах Индии, Австралии и Новой Зеландии.
Характерным представителем осадочного асфальтитного месторождения с высоким содержанием патронита, является МинасРагра в Перу.
Метаморфенные залежи имеются в США, Норвегии и Финляндии (Отанмяки).

Мировые запасы

По данным 2012 года разведанные запасы ванадия в месторождениях составляли 14 млн. тонн. Из них:

5,1 млн. тонн приходилось на Китай.
5 млн. тонн – на Россию.
3,5 млн. тонн на ЮАР.
0,4 млн. тонн на другие страны мира.

Страны, добывающие ванадий

Мировое производство ванадия в 2018 году составило 73 тыс. тонн. Лидерами на рынке выпуска этого минерала к тому времени стали: Китай, Россия, ЮАР и Бразилия.

Читайте также: