Вана́дий — химический элемент с атомным номером 23[3]. Принадлежит к 5-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе V группы, или к группе VB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 50,9415(1) а. е. м.[1]. Обозначается символом V (от лат. Vanadium). Простое вещество ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета.

23 ТитанВанадийХром
V

Nb
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
23V
Cubic-body-centered.svg
Electron shell 023 Vanadium.svg
Внешний вид простого вещества
Ванадий
Пластичный металл серебристо-белого цвета
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

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[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

23
Ванадий
50,9415
3d34s2

Содержание

ИсторияПравить

Ванадий был открыт в 1801 году профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем название на «эритроний». Дель Рио не имел авторитета в научном мире Европы, и европейские химики усомнились в его результатах. Затем и сам Дель Рио потерял уверенность в своём открытии и заявил, что открыл всего лишь хромат свинца.

В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.

Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он серьёзно отравился фтороводородом незадолго до открытия Сефстрёма и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.

Происхождение названияПравить

Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини любви и красоты Фрейи (др.-сканд. Vanadís — дочь Ванов; Ванадис).

Нахождение в природеПравить

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(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

МесторожденияПравить

Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, России[4], Турции, Англии.

ПолучениеПравить

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) NaVO3. 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 (V2O5 или V2O3) кальцием, термической диссоциацией VI2 и другими методами.

Некоторые из разновидностей асцидий обладают уникальной особенностью: в их крови содержится ванадий. Асцидии поглощают его из воды.

В Японии разводят асцидий на подводных плантациях, собирают урожай, сжигают и получают золу, в которой ванадий содержится в более высокой концентрации, чем в руде многих его месторождений.

Физические свойстваПравить

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

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³. При нагревании на воздухе выше 300 °C ванадий становится хрупким. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия и повышают его твёрдость и хрупкость[2].

Химические свойстваПравить

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.

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) V2O3 4,87 г/см³ 1967 °C 3000 °C Черный
Оксид ванадия(IV) VO2 4,65 г/см³ 1542 °C 2700 °C Темно-голубой
Оксид ванадия(V) V2O5 3,357 г/см³ 670 °C 2030 °C Красно-желтый

Галогениды ванадия гидролизуются. 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 (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V2O5 с осно́вными оксидами образуются ванадаты[de] — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

ПрименениеПравить

80 % [источник не указан 1229 дней] всего производимого ванадия находит применение в сплавах, в основном для нержавеющих и инструментальных сталей.

Атомно-водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс», США). В металлургии ванадий обозначается буквой Ф.

Химические источники тока

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах. Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.[источник не указан 370 дней]

В производстве серной кислоты

Оксид ванадия(V) используется как катализатор на стадии превращения сернистого ангидрида в серный.

Металлургия

Применяется (особенно эффективно совместно с молибденом и никелем) в качестве легирующей добавки при производстве стали, при производстве биметаллов.

ПроизводствоПравить

  • Россия: Евраз Ванадий Тула, Чусовской металлургический завод[5]
  • Чехия: Мнишек-под-Броди
  • США : Хот-Спрингс
  • ЮАР: Бритс

Биологическая роль и воздействиеПравить

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем[источник не указан 805 дней], тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коферментов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается[источник не указан 998 дней].

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 %[6]. 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.

ИзотопыПравить

Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5·1017 лет, то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50Cr. Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний). Из них наиболее стабильны 49V (T1/2=337 дней) и 48V (T1/2=15,974 дня).

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265–291. — DOI:10.1515/pac-2015-0305.
  2. 1 2 3 4 Коршунов Б. Г. Ванадий // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 349. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
  3. Таблица Менделеева на сайте ИЮПАК
  4. Электронная библиотека НЕФТЬ-ГАЗ
  5. {http://vanadium.evraz.com/ru/facilities/ Ванадиевый дивизион Евраза]
  6. Michibata H., Hirose H., Sugiyama K., Ookubo Y., Kanamori K. Extraction of a vanadium-binding substance (vanadobin) from the blood cells of several ascidian species // Biological Bulletin. — 1990. — Vol. 179. — P. 140—147.

СсылкиПравить