Ванадий свойства и применение. Ванадий (химический элемент): история названия, строение атома, валентность

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ванадий - двадцать третий элемент Периодической таблицы. Обозначение - V от латинского «vanadium». Расположен в четвертом периоде, VB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 23.

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).

Чистый ванадий - серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3 , плавящийся при температуре 1900 o С. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.

Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ванадия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.

Изотопы ванадия

Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51 V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.

Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50 V с периодом полураспада равным 1,5×10 17 лет, а также пять ядерных изотопов.

Ионы ванадия

На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

V o -2e → V 2+ ;

V o -3e → V 3+ ;

V o -4e → V 4+ ;

V o -5e → V 5+ .

Молекула и атом ванадия

В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:

Сплавы ванадия

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 - 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Металл серебристо - белого цвета, который при нагреве до температуры 300 градусов Цельсия склонен к насыщению различными газами, например, кислородом или азотом, называют ванадием. Металл ванадий и его цена за 1 кг лома на сегодня лежит в диапазоне от нескольких десятков до тысяч долларов США - это химический элемент, занимающий в таблице Менделеева место под номером 23. Он расположен между титаном и хромом.

Ванадий - это тугоплавкий металл, температура плавления составляет 1735 ºC. Он часто встречается в земной коре, по некоторым расчётам, его объем составляет до 0,005%, от земной коры. Его можно встретить в составе более чем полусотни минералов. Для нужд экономики ежегодно добывают 10 000 тонн этого металла.

Кстати, специалисты горного дела считают рентабельными выработки с рудой, содержащей более 0,1% ванадия.

Цена ванадия за 1 кг лома

Роль ванадия в промышленности сложно переоценить. Более того если посмотреть на динамику добычи этого материала, то сразу будет видно, что ежегодный прирост составляет до 1,5%. Ключевыми игроками в этой части рынка можно назвать следующие страны:

• Китай;
• Российская Федерация.

На долю остальных государств приходиться всего несколько процентов от мирового объема, между тем как «Поднебесная» контролирует более трети рынка. По оценкам некоторых экспертов - до 36%.

Следует отметить и то, что рост добычи был спровоцирован увеличением объемов потребления ванадия и его производных в металлургической промышленности. И вновь - Китай впереди всех. Такая ситуация не может не отразится не уровне цен на этот металл и его соединения.

Цена на сентябрь 2018 года за кг ванадия составляет 16 долларов США или 900 рублей.

Говоря о цене на этот продукт надо понимать что на рынке в РФ представлено несколько позиций продукции, содержащий в себе ванадий. Это:

• Полоса;
• Проволока;
• Слиток;
• Проволока и пр.

При этом на рынке РФ активно работает несколько компаний, большинство из которых, расположены в Москве. В зависимости от типа продукции существенно разнится цена.

Так к примеру, ВНПЛ-1 (полоса) достигает стоимости в Москве 2026 USD, а ВНМ - 1 (слиток) 211.

Такой уровень цен обусловлен в первую очередь сложностью потребления и конечно спросом со стороны потребителей.

Применение ванадия в промышленности

Изначально, ванадий применяли для получения цветного стекла, керамических изделий и красок. Соединения, полученные на основании ванадия придавали неповторимый голубой или зелёный цвет стекольным изделиям. В том время как фарфор и керамика получали золотистую глазурь полученную из веществ, полученных из ванадия.

Оксид ванадия, произвёл значительный прорыв в теле окрашивания тканей, произведённых из хлопка и шелка.

Первая мировая война вызвала всплеск интереса к ванадию, точнее к серной кислоте, которую производили с помощью этого металла. Именно при получении кислоты, ванадий стали использовать как заменитель платины, которую использовали как катализатор.

Ванадий и металлургия

В отличии от химической отрасли, обходящейся ванадиевыми производными, металлургическая промышленность использует его в чистом виде. Все дело в том, что этот металл применяют как легирующий элемент.

После аварии, случившейся на гонках, обломок двигателя попал в руки Генри Форда - старшего, который и вызвал его к себе необычайной твёрдостью, вязкостью и малым весом. После проведённых анализов стало понятно, что двигатель был изготовлен из стали с примесью ванадия.

Исследования, выполненные в компании Форда, позволили получить стальные сплавы отличающиеся низкой массой, высокой прочностью. В следствие этого автомобили получили улучшенные ходовые характеристики, жёсткость и прочность конструкции. Кстати, после этого, Генри Форд и произнёс фразу, приведённую выше.

Примерно в то же время инженеры из разных стран использовали ванадиевые стали для получения брони, изготовления оружейных стволов, установленных, в том числе и на авиационных пушках и пулемётах.

Можно отметить, что для изготовления армейских касок во время Первой мировой войны применяли кремниевые и никелевые добавки, но только использование ванадиевых присадок, позволило добиться желаемых результатов. При этом, содержание ванадия в стали достигало всего 0,2%. Надо отметить, что использование этого металла позволило снизить вес и цены на изделия для военных. Изготовление стали с добавлением ванадиевых и хромовых компонентов, обладающей высокой усталостной прочностью, позволило увеличить выпуск авиационных моторов, торпед, бронебойных боеприпасов и пр. Кстати, появление таких сталей привело к снижению цены на готовую продукцию.

Некоторые особенности использования ванадия

Специалисты знают, что использование ряда элементов изменяет свойства стали. Например, молибден обеспечивает хорошую прокаливаемость, никель повышает вязкость. Но и тем не менее, какое влияние может оказать та или иная добавка можно определить не всегда. Между тем, ответ на вопрос, почему ванадий оказывает хорошее воздействие на стали лежит на поверхности.

Все дело в свойствах этого металла. В процессе изготовления расплав стали активно впитывает в себя различные газы. По мере остывания, в стальном слитке образуются микроскопические пузырьки. При дальнейшей обработке, например, ковке, он изменяют форму и его прочность становиться разной. После введения в расплав ванадия, он вступает в реакцию с проникшими газами, а это в свою очередь приводит к образованию шлаков , которые всплывают и удаляются в процессе плавки. Оставшийся в стали ванадий образует твёрдые и жаростойкие соединения, их называют карбиды. Они препятствуют появлению крупных кристаллов. После остывания сталь получается мелкозернистой, обладающей высокой твёрдостью и ковкостью.

Наличие ванадия в стали позволяет ей сохранять свои свойства при высоких температурах, которых появляются при обработке, например, при точении или шлифовании.

Кроме того, ванадиевые добавки, гарантируют наличие мелкокристаллической структуры материала.

Ещё свойство, которое появляется у стали, полученной с ванадиевыми добавками - стойкость к истиранию.

Так, цилиндры, применяемые в дизельных двигателях и изготовленные из качественной углеродистой стали, после пробега в тысячу моточасов теряют до 0,4 мм в толщине стенки, в то время, как те, которые выполнили из ванадиевой стали всего 0, 1 мм. Это не только повышают ресурс двигателя, но и снижают эксплуатационную стоимость.

Кстати, ванадий применяют не только в получении стали. Его применяют при производстве алюминиевого сплава под названием Вавилим. Он применяется при производстве машин и механизмов работающих под воздействием морской воды.

Ванадий применяют при производстве лабораторной посуды, инструментальных сталей. Даже качественные духовые музыкальные инструменты не обходятся без его участия.

На основании вышесказанного можно сказать следующее - применение ванадия и его соединений позволяет не только улучшить свойства различных материалов, но и снизить их эксплуатационные свойства.

Ванадий в человеческом организме

Без этого элемента не обходится и наш организм. В частности ванадий оказывает следующее воздействие:

• замедляет процессы старения;
• усиливает процессы обмена веществ;
• замедляет процесс выработки холестерина;
• положительно влияет на работу цнс, органов пищеварения и пр.;
• стабилизирует работу сердечно-сосудистой системы, в том числе снижает кровяное давление.

Надо отметить, что это малая часть его положительного влияния ванадия на человеческий организм. Именно поэтому этот элемент и его производные входят в состав различных медикаментов и витаминов, которые можно приобрести во многих аптеках нашей страны, в том числе и Москвы.

Производство ванадия, формы поставки

Сложностью технологического процесса и трудоёмкостью отличается производство ванадия и изделий из него. Это вызвано в первую очередь тем, что ванадиевая руда имеет сложный состав и малое содержание искомого урана. Именно поэтому, использование традиционных методов обогащения руды не представляется возможным.

Описание и свойства ванадия

Ванадий первоначально был обнаружен мексиканцем А.М. Дель Рио в рудах бурого цвета, содержащих свинец, которые при нагревании давали красноватый цвет.

Но официальное признание элемент получил позднее, когда его обнаружил химик из Швеции Н.Г.Сефстрем при исследовании железной руды из местного месторождения и дал ему название Ванадий созвучное с именем Ванадис, которое носила древнегреческая богиня красоты.

По внешнему виду металл напоминает сталь своим серебристо-серым цветом. Но на этом сходство заканчивается. Строение ванадия : кубическая объемноцентрированная решетка с параметрами a=3,024A и z=2. Плотность составляет 6,11 г/ см 3 .

Плавится он при температуре 1920 о С, а кипеть начинает при 3400 о С. А вот нагревание на открытом воздухе до температуры выше 300 о С снижает пластические свойства металла и делает его хрупким, повышая при этом твердость. Понять такое поведение помогает строение атома металла.

Ванадий элемент, имеющий атомный номер 23 и атомную массу 50,942, он относится к V группе четвертого периода системы Д. . А это означает, что атом ванадия состоит из 23-х протонов, 23-х электронов и 28-ми нейтронов.

Несмотря на то что это элемент V группы, валентность ванадия не всегда равна 5. Она бывает 2, 3. 4 и 5 с положительным знаком. Разные значения валентности объясняются разными вариантами заполнения электронных оболочек, при которых они приходят в стабильное состояние.

Известно, что положительное значение валентности определяется числом отданных атомом химического элемента электронов, а отрицательное – числом электронов, присоединенных к внешнему энергетическому уровню для формирования его стабильности. Электронная формула ванадия — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3 .

Он может легко отдать два электрона с 4-го подуровня, при этом его степень окисления обусловлена 2-х валентным положительным проявлением. Но атом этого элемента способен отдавать еще 3 электрона с предшествующей внешнему подуровню орбиты и проявить максимальную степень окисления, равную +5.

Оксиды этого элемента с валентностью от 2-х до 5 различны по своему химическому проявлению. Оксиды VO и V 2 O 3 имеют основной характер, VO 2 – амфотерный и V 2 O 5 – кислотный.

Чистый металл отличается своей пластичностью и поэтому хорошо обрабатывается , штамповкой, прессованием и прокаткой. Обработка сваркой и резкой должны проходить в инертной среде, т. к. при нагревании теряется пластичность.

При обработке металл практически не подвержен наклепу и может выдержать большие нагрузки при обжатии в холодном виде без промежуточного отжига. Он устойчив к коррозии и не изменяется под влиянием воды, в том числе и морской, а также слабых растворах некоторых кислот, солей и щелочей.

Месторождения и добыча ванадия

Ванадий химический элемент , достаточно распространенный в земных породах, но в чистом виде не встречается, присутствуя в минералах в рассеянном состоянии. Скопления его в породах присутствуют очень редко. Это редкий металл. Руда с содержанием 1% чистого вещества относится к категории богатой.

В промышленности не пренебрегают даже рудами с содержанием 0,1% дефицитного элемента. В малых концентрациях он встречается более чем в сорока минералах. Значимыми для промышленности можно назвать роскоэлит, называемый ванадиевой слюдкой, в котором содержится до 29% пятиокиси V 2 O 5 , карнотит (урановая слюдка), содержащий 20% V 2 O 5 , и ванадинит с содержанием 19% V 2 O 5.

Крупные месторождения руд, содержащие металл, находятся в Америке, ЮАР, России, Финляндии и Австралии. Большое месторождение есть в горах Перу, где он представлен патронитом V 2 S 5 , содержащим серу. При его обжиге образуется концентрат, содержащий до 30% V 2 O 5.

Найден минерал в Киргизии и Казахстане. Знаменитое Кызылординское месторождение является одним из крупнейших. В России его добывают в основном в Краснодарском крае (Керченское месторождение) и на Урале (Гусевогорское месторождение титаномагнетитов).

Технология извлечения металла зависит от требований к его чистоте и области использования. Основные методы, применяемые в технологии его получения – это йодидный, кальцетермический, алюминотермический, углетермический в вакууме, хлоридный.

В основе технологии йодидного метода лежит термическая диссоциация йодида . Распространенным является получение металла восстановлением V 2 O 5 термическим методом с применением кальция или алюминия.

При этом происходит реакция по формуле: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 кДж с выделением тепла, которого достаточно для расплавления образовавшегося V, что позволяет ему стекать и собираться в твердом виде. Чистота металла, полученного таким способом, достигает 99,5%.

Современный способ извлечения V — это восстановление оксидов в условиях вакуума углеродом при температуре от 1250 о С до 1700 о С. Метод хлоридной добычи заключается в восстановлении VCl 3 жидким магнием.

Применение ванадия

Одно из основных применений металл нашел в качестве легирующей добавки — феррованадия для улучшения качества сталей. Добавление ванадиевой повышает прочностные параметры сталей, а также ее вязкость, износостойкость и другие характеристики.

При этом добавка выполняет функцию как раскислителя, так и карбидообразующего компонента. Карбиды равномерно располагаются в сплаве, предотвращая структурный рост зерен стали при нагревании. Легированный ванадием чугун также способствует улучшению его качеств.

Применяется ванадий для улучшения сплавов на основе титана. Есть титана, в составе которых содержится до 13% этой легирующей добавки. Присутствует ванадий также в сплавах ниобия, тантала и хрома, используемых в авиационной промышленности, а также алюминиевых, титановых и других материалах авиации и ракетостроения.

Уникальность элемента позволяет использовать его в атомной отрасли при производстве канальных труб ТВЭЛов для атомных станций, т. к. он, как и цирконий, обладает свойством малого поперечного захвата тепловых нейтронов, что важно при протекании ядерных реакций. В атомно-водородной технологии используют хлорид ванадия для термохимического взаимодействия с водой.

Используют ванадий в химической и сельскохозяйственной отрасли, медицине, стекольном производстве, текстильной области, лакокрасочном производстве и изготовлении аккумуляторов. Широко распространены ручные и оснастка из сплава хром ванадий, отличающиеся своей прочностью.

Одно из последних направлений — это электроника. Особенно интересным и перспективным является материал на основе диоксидов титана и ванадия . Соединенные определенным образом, они создают систему, обладающую способностью значительно увеличивать память и скорость компьютеров и других электронных устройств.

Цена ванадия

В качестве готового сырья ванадий выпускают в виде , прутков, кругов, а также оксидов. В ассортименте многих предприятий, занимающихся производством этого тугоплавкого металла, представлены сплавы различных марок. Цена во многом зависит от назначения, чистоты металла, способа производства, а также вида продукции.

Например, Екатеринбургское предприятие НПК «Специальная металлургия» реализует слитки по цене 7 тыс. за кг, — по цене от 440 до 500 тыс. за тонну, слитки марки ВНМ-1 по цене 500 тыс.за тонну. Цена может меняться также в зависимости от рыночных условий и спроса на продукцию.

Ванадий – неактивный элемент, в природе его соединения не реагируют на действие воздуха, воды, кислот или щелочей. Для его расплавления нужны очень высокие температуры. В организме ванадий тоже довольно инертен, хотя и вступает во взаимодействие с другими веществами.

Ванадий хорошо усваивается в присутствии цинка , фтора и селена , помогая всасыванию этих элементов. Ванадий считается токсичным веществом для человека, и эти его свойства могут усилиться, если одновременно с ним в организм попадают железо , магний , алюминий, аскорбиновая кислота (витамин С). А вот ослабить токсичность ванадия способны продукты с высоким содержанием хрома .

Важно! Ванадий снижает эффективность антикоагулянтов, поэтому нельзя принимать одновременно биодобавки с ванадием и препараты, снижающие свертываемость крови

Попадая в организм человека, ванадий депонируется в костях – это главное место накопления элемента, а также в мышечной и жировой тканях, причем в костях и зубах он помогает распределению кальциевых солей. В небольшом количестве ванадий есть в щитовидной железе и сердечной мышце, в легких, в селезенке и почках, где во взаимодействии с цирконием улучшает работу этих органов. Ванадий вступает во взаимодействие с калием и натрием , регулируя их баланс в тканях, при этом он помогает избавиться от отечностей.

Польза ванадия для здоровья пока плохо изучена. Известно на сегодня то, что этот элемент активно участвует в окислительных и восстановительных процессах на уровне клеток, нужен для дыхания и кроветворения, формирования костной ткани и роста зубов, для осуществления репродуктивных функций. Участие ванадия доказано в усилении зрения и стимулировании роста, в работе печени и почек, в укреплении сердечной мышцы и нервной системы.

Роль в возникновении и течение различных заболеваний

Роль ванадия в развитии заболеваний пока не имеет клинических подтверждений, но исследования показывают, что от содержания его в организме сильно зависит риск развития таких болезней как сахарный диабет, атеросклероз, нарушения работы почек и сердечно-сосудистой системы, снижение репродуктивных способностей.

Кроме этого, есть данные о том, что от уровня ванадия зависит проявление некоторых форм шизофрении.

Основные функции в организме

Воздействие ванадия на человеческий организм пока находится в стадии активного изучения и знания о нем еще недостаточны. Однако установлено, что соли ванадия способны имитировать эффект инсулина, регулируя углеводный обмен, так что ученые рассматривают возможность применения соединений ванадия при лечении сахарного диабета.

Еще одна ценная функция ванадия – он активизирует клетки иммунной системы фагоциты, которые поглощают чужеродные для организма частицы. К таким вредным частицам могут относиться вирусы, бактерии, токсические частички, отмершие или погибающие клетки. Активированные ванадием фагоциты очищают клетки и ткани, защищают организм от инфекций и воспалений.

Ванадий снижает выработку холестерина, поддерживает в здоровом состоянии сосуды мозга, тонизирует сердечную мышцу, понижает артериальное давление – все это важно для людей, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы.

Людям, стремящимся контролировать свою массу тела, будет интересно узнать о том, что ванадий необходим для усвоения жиров и углеводов, помогая в процессе их расщепления высвобождать энергию. Он нормализует обмен липидов и регулирует выработку жирных кислот.

Интересна функция ванадия как антиоксиданта: этот элемент активно вступает в окислительные реакции, предотвращая распространение и активизацию свободных радикалов, а также влияет на рост клеток, предупреждая их неконтролируемое деление – а значит и формирование злокачественных опухолей.

Среди других значимых функций ванадия в организме отметим следующие:

• вступает в комплексы с молекулами гемоглобина и стабилизирует их, предохраняя от окисления;
• выступает кофактором (стимулятором) ферментов, которые расщепляют и помогают усваивать белки;
• участвует в биосинтезе некоторых гормонов;
• улучшает усвоение кислорода тканями печени;
• контролирует работу нервной системы;
• участвует в формировании и росте костей скелета, зубов;
• предупреждает развитие атеросклероза.

Антиоксидантные и противомикробные свойства ванадия нашли применение в косметических средствах: например, экстракт василька, содержащий этот химический элемент, используют в косметике для ухода за чувствительной кожей вокруг глаз (он уменьшает отечность и улучшает тонус век), а также в средствах для проблемной кожи с элементами воспаленных высыпаний.

В каких продуктах содержится ванадий

Как сохранить ванадий в пище

Несмотря на химическую инертность, ванадий чувствителен к условиям хранения и обработки продуктов: он окисляется и переходит в плохо усвояемые формы при хранении на свету и в помещении с высокой влажностью, при длительной температурной обработке (отваривании, тушении), при размораживании продуктов. Оптимальный способ получить максимальное количество ванадия из продуктов – есть их в сыром виде (фрукты и овощи) либо отваривать в небольшом количестве воды или готовить на пару в течение непродолжительного времени.

Усвояемость минерала

Ванадий широко распространен в природе, больше всего этого вещества содержат морепродукты, грибы и злаки. Хорошо усваивается ванадий из меда в сотах и пчелиного маточного молочка.

Следует отметить, что организм способен усвоить только 1% от поступившего с едой элемента. Токсичность ванадия понижается, а усвоение улучшается в присутствии белковой пищи. Всасывание вещества происходит в тонком кишечнике, избыток выводится с мочой.

Сочетание с другими питательными веществами

В сочетании с другими питательными веществами ванадий выполняет транспортные функции – элемент помогает транспортировать белки, жиры и углеводы к клеткам мышц, способствуя их укреплению. Поэтому спортсменам во время активных тренировок рекомендуется увеличить ежедневное потребление продуктов с высоким содержанием ванадия – до 3 мг этого элемента в день.

Совет врача. Токсичность ванадия значительно снижается в присутствии хрома, поэтому полезно комбинировать в ежедневном меню продукты, содержащие оба этих элемента: например, морепродукты с рисом, грибы с брокколи, тунец со шпинатом

Суточные нормы

Ученые еще не определились с четкими нормами употребления ванадия, какое количество обязательно нужно получать с продуктами, и зависит ли оно от возраста либо других факторов. По рекомендациям ВОЗ (всемирная организация здоровья) от 2000 года суточная норма ванадия составляет от 6 до 63 мкг. Другие источники дают информацию о допустимом потреблении ванадия до 2 мг в день. Доза в 4 мг считается настолько токсичной, что может вызвать смертельный исход.

Что происходит при дефиците минерала

Последствия дефицита ванадия.

Примерное представление о том, как чувствует себя живой организм при дефиците ванадия, ученые имеют пока только на уровне лабораторных исследований. Недостаток этого вещества может ухудшить состояние костной и мышечной тканей, спровоцировать дефекты развития плода и выкидыши, ухудшить работу щитовидной железы, замедлить рост, стать причиной злокачественных новообразований.

Факторы, способствующие дефициту.

Причиной дефицита ванадия становится нарушение его всасывания в кишечнике или употребление биодобавок с веществами, которые ускоряют связывание и выведение этого элемента из организма, а также жесткие продолжительные монодиеты.

Как восполнить дефицит минерала.

При интенсивных тренировках спортсмены значительно расходуют энергию и нуждаются в дополнительном поступлении ванадия, участвующего в расщеплении глюкозы. Для пополнения запасов ванадия рекомендуется повысить содержание в меню соевых бобов, оливкового масла, укропа и редиса.

Избыток ванадия в организме

Некоторое время спортсмены считали, что биодобавки с содержанием ванадия могут способствовать в увеличении мышечной массы, однако проведенные исследования этого не подтвердили.

Избыток ванадия в организме – это более частая и конкретная тема обсуждения среди врачей, поскольку этот элемент может накопиться по следующим причинам:

• злоупотребление биодобавками с содержанием ванадия;
• вдыхание паров бензина, мазута, выхлопных газов, токсических выбросов при укладке асфальта;
• работа на производстве стекла;
• употребление воды, загрязненной отходами металлургических или нефтеперерабатывающих предприятий;
• употребление овощей, выросших на загрязненных промышленными отходами почвах.

Токсичность ванадия может стать причиной различных нарушений в организме. В условиях производства рабочие, имеющие дело с вдыханием частичек ванадия, часто страдают воспалительными заболеваниями глаз и дыхательных путей, различными болезнями кожи (экземы, дерматиты). Ванадий провоцирует скопление слизи в бронхах и развитие астмы, влияет на уменьшение количества лейкоцитов в крови и снижение иммунитета, способствует развитию анемии, нервных расстройств, обострениям заболеваний печени и почек.

Совет врача. При отравлении ванадием человек обычно ощущает тошноту и головную боль, он теряет аппетит и жалуется на диарею, депрессивное состояние, на языке может проступить зеленоватый налет, случается обезвоживание организма. Для нейтрализации токсического действия ванадия задействуют препараты хрома и аминокислоту ЭДТА (этилендиаминтетрауксусную кислоту)

Препараты, содержащие минерал

Из препаратов, содержащих ванадий, наиболее известен ванадил сульфат – биоактивная добавка, которую нередко принимают спортсмены при длительных и напряженных силовых тренировках. Эта добавка может быть рекомендована при избыточной массе тела и повышенном уровне холестерина, при некоторых нарушениях сердечной деятельности и сахарном диабете. Однако дозировку этого препарата и продолжительность приема обязательно должен контролировать врач.

Почему ванадий назвали металлом-хамелеоном, от чего зависит его изменение цвета и какими свойствами обладает этот металл, смотрите в видео ниже.

Ванадий - химический элемент 5-й группы периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Название элемента «Ванадий» произошло от имени древнескандинавской богини красоты - «Ванадис». Причиной этому стал цвет солей. Ванадий - твердый металл серо-стального цвета. Он довольно устойчив к действию воды и множества кислот. В земной коре ванадий рассеян, часто сопутствует железу, а железные руды, являются очень важным источником промышленного производства ванадия.

Ванадий является, пожалуй, самым редким представителем черных металлов на Земле. Основная область применения данного металла - это производство марочных сталей, а также чугунов. Добавки ванадия способны обеспечить высокую характеристику титановым сплавам, что так важно в авиационной и космической промышленности. Ванадий широко использестя как катализатор в процессе получения серной кислоты.

В природе ванадий обычно находится в титаномагнетитовых рудах, иногда встречается в фосфоритах, урансодержащих алевролитах и песчаниках, а которых концентрация ванадия, как правило, не превышает двух процентов. Главными рудными минералами в подобных месторождениях являются ванадиевый мусковит-роскоэлит, а также карнотит. Зачастую ванадий в достаточно большом количестве встречается в бокситах, бурых углях, тяжелых нефтях, битуминозных песках и сланцах. Обычно Ванадий добывается в виде побочного продукта во время извлечения из минерального сырья других, главных компонентов. К примеру, из золы в результате сжигания нефти, или из титановых шлаков во время переработки титаномагнетитовых концентратов.

Ванадий в чистом виде представляет собой светло-серый металл, поддающийся ковке. Ванадий почти вдвое легче железа. Температура плавления металла составляет 1900 градусов по Цельсию, плюс-минус 25 градусов. Температура кипения ванадия равна 3400 градусам по Цельсию. В сухом воздухе при соблюдении комнатной температуры ванадий ведет себя достаточно пассивно с химической точки зрения. Но при достижении высоких температур элемент способен легко соединяться с азотом, кислородом, а также другими атомами.

В химической промышленности соединения Ванадия применяют как катализаторы. Кроме того, ванадий применяется в медицине и сельском хозяйстве, а также в резиновой, текстильной, лакокрасочной, стекольной, керамической промышленности, в производстве приспособлений для фото- и видеосъемки. Ванадий используется как легирующий компонент в создании конструкционных сплавов и сталей, которые применяются в космической и авиационной технике, морском судостроении. Металл используют и в качестве компонента сверхпроводящих сплавов.

Соединения ванадия сами по себе ядовиты и могут принести ущерб организму. Отравление ванадием обычно происходит при вдыхании пыли металла, содержащейся в воздухе. Результатом такого вдыхания может стать раздражение дыхательных путей, головокружение, легочное кровотечение. Ванадиевая пыль воздействует на работу сердца и почек.

Поступая в организм с пищей, ванадий оказывает благотворное воздействие на иммунитет, способствует очищению крови. Некоторые исследования доказывают, что в совокупности с отдельными веществами ванадий способен замедлять процессы старения организма. Больше всего ванадия (как химического элемента) содержится в неочищенном рисе (400 мг/100г), цельном зерне овса (200 мг/100г), а также в фасоли (190 мг/100г), редисе (185 мг/100г) и сыром картофеле (149 мг/100г).

Биологические свойства

Соединения ванадия являются ядовитыми. Отравление веществом возможно после вдыхания ванадиевой пыли. При вдыхании возможно возникновение раздражения дыхательных путей, головокружения, лёгочного кровотечения, нарушается деятельность почек, сердца и других внутренних органов.

В ничтожных количествах ванадий присутствует в тканях практически всех живых организмов на нашей планете. Существует предположение, что ванадий служит средством, которое подавляет образование холестерина в сосудах, но вот нормы употребления данного минерала так и не удалось установить.

Биологическая роль ванадия была изучена на асцидиях. Ванадий в их кровяных клетках находится в трех- и четырехвалентном состоянии, тем самым осуществляется динамическое равновесие:

V III -> V IV ,

V III <- V IV .

У асцидии физиологическая роль ванадия напрямую связывается не с дыхательным процессом переноса углекислого газа и кислорода, а с процессами окисления и восстановления, т.е. переносом электронов с помощью, если можно так сказать, ванадиевой системы, которая, скорее всего, имеет значение на физиологическом уровне, в том числе и у других организмов.

В растениях содержание ванадия гораздо выше, чем в животных: 0,1% - 2% против 1·10 -5% - %1·10 -4 %. Некоторые виды морских жители, особенно это касается мшанок и моллюсков, в частности асцидий, концентрируют ванадий в довольно больших количествах. Ванадий находится у асцидий в плазме крови или в ванадоцитах - специальных клетках существа.

Источниками ванадия являются сланцы и изверженные породы, содержание металла составляет в них примерно 0,013% ванадия. Ванадий содержится также в песчаниках и известняках, где содержание металла составляет около 0,002%. В почвах, по большей части в гумусе, доля ванадия составляет примерно 0,01%. В пресной и морской воде содержание металла примерно 1·107—2·107%.

Судя по всему, ванадий участвует в протекании некоторых окислительных процессов в органических тканях. У человека содержание ванадия в мышечной ткани составляет 2·10 -6 % ванадия, в крови - менее 2·10 -4 % мг/л, в костной ткани – около 0,35·10 -6 %. Всего в здоровом человеческом организме, имеющем массу 70 килограмм, содержится 0,11 миллиграмма ванадия.

Соединения ванадия и сам элемент токсичны. Для человека токсическая доза составляет 0,25 миллиграмма, летального исход при употреблении 2-4 миллиграмм. Для VO5 предельно допустимый коэффициент содержания в воздухе составляет 0,1-0,5 мг/м3.

В прошлом при лечении туберкулеза, анемии и сифилиса применялись некоторые фармацевтические препараты, в составе которых в малых долях присутствовали самые разные соединения ванадия. На сегодняшний день ванадиевые соли применяются в качестве инсектицидов, фунгицидов и дезинфицирующих средств.

Ванадий в организме человека участвует в следующих процессах:

1. Усиливает окисление фосфолипидов, усиливает эритропоэз, Стимулирует костный мозг, участвует в стимулировании пролиферации костных клеток, а также в процессе синтеза костного коллагена, в общем виде способствует росту организма.

2. Снижает активность НаКАтфазы, при этом ванадий делает аденилатциклазу еще боле активной, повышает активность печеночных липолитических ферментов. Ванадий угнетает процесс синтеза эндогенного холестерина в гепатоцитах, снижает концентрацию холестерина и триглицеридов в плазме крови.

3. Ванадий как и некоторые другие микроэлементы (например селен, цинк) дает инсулино-миметический эффект, за счет воздействия на фосфоинозитол 3 киназу (PI3), инсулин-рецепторный субстрат 1-го типа (IRS-1), протеинкиназу В (PKB), активность ГЛЮТ4

Во времена первой мировой войны французские инженеры создали самолет, который стал настоящей сенсацией того времени. Обычно самолеты вооружались пулеметом, а на этом аппарате была установлена самая настоящая пушка, которая держала в страхе всех летчиков Германии. Но возникает вопрос, как можно было поставить пушку на самолет в то время? Ведь грузоподъемность летательных аппаратов первой мировой войны была очень и очень низкой. В последствии оказалось, что все дело в ванадии, это он помог установить на самолет полноценную пушку. Авиационные пушки французских самолетов изготавливались из ванадиевой стали. Имея совсем не большой вес, орудия обладали прекрасной прочностью, которая позволяла вести ошеломляюще сокрушительный на те времена огонь по вражеским самолетам.

Ванадий, как и другой химический элемент - бор – дважды пережил свое открытие. Фактически он был открыт еще в 1781 году в свинцовых рудах Андресом Мануэлем Дель Рио, который бы профессором минерологи в Мехико. И лишь спустя двадцать девять лет, в 1830 году ванадий был заново обнаружен в железной руде ученым-химиком Нильсом Сёфстремом из Швеции. Окончательное название элемент получил от богини красоты скандинавских народов по имени Ванадис, причиной чему стал красивый цвет соеденияя, образующего ванадий.

Интересен еще и тот факт, что некоторые представители подводного растительного и животного мира, например, асцидии, морские ежи и голотурии, буквально «коллекционируют» ванадий. Эти создания извлекают химический элемент из окружающей среды каким-то не понятным для человеческого ума способом. Отдельные ученые предполагают, что у этих живых организмов ванадий служит той же цели, что и железо в крови высших существ, в том числе и человека, т.е. помогает крови впитывать кислород, или, говоря образно, помогает ей «дышать».

В организме здорового взрослого человека содержание ванадия составляет около 10-25мг, большая доля элемента приходится на зубы, костную ткань, жировую ткань на плазму крови (до 10 мкг/л), легкие (около 0,6 мг/кг).

Суточная потребность в химическом элементе для взрослых составляет 1.8 мг (Food and Nutrition board. 2004 by the National Academy of Sciences).

Ванадий проникает в организм по большей части с пищей: рис, зеленый салат, фасоль, редис, укроп, горох, черный перец, грибы, петрушка, мясо.

Неоднократные исследования установили связь ванадия с психическим состоянием человека. Научно доказан тот факт, что при шизофрении содержание ванадия в крови больного значительно повышается.

По мнению американских ученых-медиков, недостаток ванадия в человеческом организме связан с развитием сахарного диабета, потому что его нехватка, как и в случае с недостатком цинка и хрома – это один из самых важных индикаторов симптомов сахарного диабета.

История

Ванадий как примесь в составе свинцовой руды рудника в Зимапане был открыт испанским минерологом А. М. Дель Рио в 1801году. Дель Рио назвал новый элемент эритронием («erythros» - от греческого «красный»), т.к. его соединения имели красный цвет. Вот как всемирно известный шведский ученый-химик Берцелиус описывает историю открытия элемента ванадий:

«В давние времена далеко на севере жила чудесная Ванадис, всеми любимая прекрасная богиня. Однажды в ее дверь кто-то постучал. Но богиня сначала не отреагировала, т.к. очень удобно устроилась в кресле. Но стук не повторился, и кто-то отошел от двери. Ванадис стало интересно, что же это за такой скромный посетитель? Богиня открыла окно и взглянула на улицу. Незнакомцем оказался некто Вёлер, который быстро удалялся от ее замка. Спустя несколько дней все повторилось, кто-то снова постучал в дверь, но теперь стук не утихал до тех пор, пока Богиня не подошла и не открыла двери. Перед ней оказался красивый молодец Нильс Сёвстрем. Почти сразу они полюбили друг друга, и через какое-то время у них родился сын, которого они назвали Ванадий. Так и был назван тот совершенно новый металл, найденный в 1831 году шведским ученым химиком и физиком Нильсом Сёвстремом».

Но в данной легенде есть одна неточность. Первым, кто постучал в дверь богине был минералог Андрее Мануэль дель Рио, а не немецкий ученый Вёлер. И сначала испанский ученый назвал элемент «панхромом» («всецветный»), т.к. соединения этого нового металла были окрашены в самые разные цвета, и только затем сменил название на «эритроний», т.е. «красный.

Но дель Рио не смог научно доказать свою находку. Более того, спустя год после открытия он подумал, что новый элемент – это ничто иное, как хром, открытый немногим ранее. Точно такую же ошибку совершил и немецкий ученый Вёлер, «скромный посетитель», который слишком мало стучал в дверь богини Ванадис.

Только через почти тридцать лет состоялось настоящее рождение ванадия. Отцом основателем данного химического элемента и нового металла считается молодой ученый из Швеции Нильс Сёвстрем. В то время на родине Сёвстрема как раз начала развиваться металлургия. Заводы появлялись в разных концах страны. Было замечено, что металл, который выплавляли из одних руд, получался хрупким, а металл, выплавленный из других – достаточно пластичным. И не для кого не было понятно, в чем тут подвох. Нильс Сёвстрем решил попробовал найти ответ.

В процессе исследования химического состава руд, из которых получался высококачественный металл, Сёвстрем после проведения многих опытов доказал, что в таких рудах содержится элемент, который в свое время обнаружил дель Рио и ошибочно принял за хром. Новый металл назвали ванадием.

Ни Вёлеру, ни дель Рио не было суждено стать «отцами основателями» нового химического элемента, хоть они и были к этому близки. После успеха шведского ученого немец Вёлер написал своему другу: «Я был просто ослом, как я мог проглядеть новый элемент в этой бурой свинцовой руде? Все-таки Берцелиус был прав, когда так иронично описывал мою слабую неудачную попытку постучаться в дворец богини Ванадис.

На территории России ванадий впервые нашли в 1834 году на Урале в свинцовой руде Березовского рудника. В 1839 году ванадий был найден в пермских песчаниках. Уже в то далекое время инженер Шубин высказывал мнение о благотворном влиянии примеси ванадия на качество медных и железных сплавов. Он писал, что черная медь, гаркупфер, штыковая медь и медистый чугун составляют сплавы с ванадием, и, что, вероятнее всего, именно присутствие ванадия дает им такую прочность.

Спустя еще много лет никто не мог в чистом виде выделить ванадий. Лишь в 1869 г. англичанин Генри Роско после долгих поисков сумел выделить чистый металлический ванадий. Но лишь в те времена его можно было считать чистым, т.к. содержание посторонних примесей находилось в районе 4%. Даже такая доля способна существенно изменить свойства металла. Чистый ванадий представляет собой серебристо-серый металл, обладает высокой пластичностью, поддается ковке.

Нахождение в природе

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 битуминозныхпесках 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 Pb 5 (VO 4) 3 Cl, патронит V(S 2) 2 и несколько других. Основным источником получения ванадия являются железные руды, в которых ванадий встречается в качестве примеси.

Применение

Ванадий чаще всего используется в качестве легирующей добавки в производстве жаропрочных, коррозийностойких и износоустойчивых сплавов, в первую очередь это касается специальных сталей. Кроме того, ванадий используют в качестве одного из компонентов при получении магнита. Ванадий в металлургии обозначают буквой Ф.

Основным потребителем ванадия выступает черная металлургия, в которой используется около 95% всего добываемого металла. В составе быстрорежущей стали, и ее заменителей также присутствует ванадий, он входит в состав инструментальных малолегированных и в некоторые виды конструкционных сталей. Даже присутствие 0,15 % - 0,25 % ванадия в составе сплава, прочность стали резко повышается, повышаются показатели вязкости, сопротивления усталости и износоустойчивости металла. Введенный в стать ванадий, является одновременно и карбидообразующим, и раскисляющим элементом. Карбиды ванадия распределяются в виде дисперсных включений, препятствуя тем самым росту зерна в процессе нагревания стали. Ввод ванадия в сталь происходит в виде феррованадия, который является одной из форм лигатурного сплава.

Ванадий применяется и в процессе легирования чугуна. Промышленность титановых сплавов, которая стремительно развивается в последнее время, является новым, но довольно существенным потребителем ванадия на современном этапе. Необходимо отметить, что отдельные сплавы титана могут содержать до 13% ванадия. Сплавы, основанные на ниобии, хроме и тантале, содержащие при этом присадки ванадия, нашли применение в ракетной, авиационной и других сферах индустрии. Также в авиационной, ракетной и даже атомной технике в ближайшее время ожидается использование различных по составу и свойствам коррозийностойких и жаропрочных сплавов в основе которых лежит ванадий, а также добавки Zr, Ti, W, Al и Nb. Такие сплавы уже переходят в стадию промышленного изготовления. Огромный интерес вызывают сверхпроводящие соединения и сплавы на основе ванадия с Ti, Si и Ga.

Ванадий применяется в качестве промежуточного материала (прослойки) в процессе плакирования стали, а также тугоплавких металлов циркониевыми, титановыми сплавами, со сплавами благородных металлов.

За счет высокой коррозионной стойкости в самых агрессивных средах, ванадий становится перспективным материалом в химическом машиностроении и др. отраслях.

Металлический ванадий в чистом виде нередко используется в атомной энергетике, из него изготавливают оболочку для тепловыделяющих элементов, а также различные трубы. Ванадий присутствует и в некоторых электронных приборах. В процессе термохимического разложения воды применяется хлорид ванадия, этот процесс относится к области ядерной энергетики, например, цикл хлоридного ванадия «General Motors» в Соединенных Штатах Америки.

Самый распространенный оксид ванадия V 2 O 5 зачастую используется в качестве эффективного катализатора, к примеру, в процессе окисления сернистого газа SO 2 и превращения его в серный газ SO 3 при получении серной кислоты. Оксид ванадия применяют в качестве катализатора также при окислении аммиака и др.

Соединения и сплавы ванадия находят применение в самых разных отраслях экономики: стекольной, лакокрасочной, текстильной промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, в производстве фото- и кинооборудования и других сферах. В аккумуляторах и мощных литиевых батареях пятиокись ванадия применяется довольно широко, здесь она служит катодом, т.е. положительным электродом. В резервных батареях в качестве положительного электрода выступает ванадат серебра. При изготовлении электронно-лучевых трубок применяются люминесцентные материалы, т.е ванадаты иттрия. Ванадат натрия является лазерным материалом, который широко применяется как активные элементы в твердотельных лазерах.

Производство

При промышленном получении ванадия сначала готовят концентрат из железных руд с примесью металла, содержание ванадия в данном концентрате составляет примерно 8-16%. Затем при помощи окислительной обработки ванадий переводится в степень окисления +5, т.е высшую степень окисления, в результате чего от полученной массы отделяют ванадат натрия (т.е. NaVO 3), который легко растворяется в воде. Раствор после этого подкисляют при помощи серной кислоты, в последствии выпадает осадок. 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, V 2 O 5 или V 2 O 3) или другими методами.

Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V 2 O 3 или V 2 O 5 ; путем восстановления V 2 O 5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V 2 O 3 ; путем магниетермического восстановления VCl 3 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:

VCl2 -> электролиз -> V + Cl2.

Физические свойства

По своему внешнему виду ванадий, как металл, очень похож на сталь. Ванадий сам по себе достаточно твердый, но вместе с тем он обладает хорошей пластичностью.

Теперь давайте рассмотрим физические свойства ванадия в конкретных цифрах. Объемно-центрированная кубическая решетка ванадия имеет период a=3,0282. Ванадий в чистом виде довольно хорошо поддается ковке, металл можно легко подвергать обработке под давлением. Плотность ванадия как вещества составляет 6,11 грамм на сантиметр кубический. Температура плавления металла равна 1900 градусам по Цельсию, температура кипения составляет 3400 градуса по Цельсию. Удельная теплоемкость ванадия при температуре от 20 до 100 градусов по Цельсию равна 0,120 кал/гград. Металл имеет термический коэффициент линейного расширения равный 10,6·10 -6 град -1 , при температуре от 20 до 1000 градусов Цельсия. Ванадий имеет удельное электрическое сопротивление 24,8·10 -6 ом·см (24,8·10 -8 ом·м) при температуре 20 градусов по Цельсию. Ниже тока в 4,5 кВ металл переходит в состояние сверхпроводимости.

Ванадий высокой чистоты после процедуры отжига имеет следующие механические свойства: значение модуля упругости составляет 13520 кгс/мм 2 (135,25 н/м 2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм 2 (120 нм/м 2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм 2 (700 мн/м 2). Ванадий часто имеет примеси других элементов, в частности газов. Примеси газов в составе ванадия воздействуют на металл не самым лучшим образом. Они снижают пластичность металла, в то же врем, делая ванадий еще более твердым и хрупким.

Ванадий, встречающийся в природе, является смесью, состоящей из двух нуклидов: стабильного нуклида 51V, который составляет 99,76% по массе, и слабо радиоактивного нуклида 52V, период полураспада которого равен более чем 3,9·10 17 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s 2 p 6 d 3 4s 2 . В периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева химический элемент ванадий расположен в четвертом периоде в группе VВ. Ванадий способен образовывать соединения в степени окисления от + 2 до + и в валентности от II до V.

Радиус нейтрального атома химического элемента ванадий составляет 0,134 нм, радиус его ионов равен V 5+ — 0,050-0,068 нм, V 4+ - 0,067-0,086 нм, V 3+ - 0,078 нм, V 2+ - 0,093 нм. Энергии последовательной ионизации атома химического элемента ванадий характеризуются значениями 6.74; 14.65; 29.31; 48.6 и 65.2 эВ. Электроотрицательность ванадия по шкале Полинга составляет 1,63.

Химические свойства

Ванадий - элемент с высокой химической стойкостью, в нормальных условиях он инертен. При комнатной температуре на ванадий не воздействует воздух, морская вода и растворы щелочей, металл устойчив к неокисляющим кислотам, кроме плавиковой кислоты. Коррозийная стойкость ванадия в соляной и серной кислотах намного выше, чем у нержавеющей стали и титана.

При нагревании ванадия до температуры 300 градусов по Цельсию, он начинает поглощать кислород и становится довольно хрупким. При нагревании до температуры 600-700 градусов по Цельсию, ванадий начинает интенсивно окисляться, образуя пятиокись V 2 O 5 и низшие оксиды. При нагревании химического элемента выше 700 градусов по Цельсию в токе азота начинает образовываться нитрид VN (tпл 2050°C), он устойчив и в кислотах, и в воде. При достижении высокой температуры ванадий начинает взаимодействовать с углеродом, при этом образуется тугоплавкий карбид VC (температура плавления 2800 градусов по Цельсию), который обладает очень высокой твердостью.

Ванадий даёт соединения 2-й, 3-й, 4-й и 5-й валентностей, в соответствии с этим известны следующие окислы: VO и V 2 O 3 (основной характер), VO 2 (амфотерный), V 2 O 5 (кислотный). Соединения двух- и трехвалентного ванадия неустойчивы и выступают сильными восстановителями. Соединения высших валентностей имеют практическое значение. В аналитической химии используется способность ванадия образовывать соединений различной валентности, к тому же данный факт обусловливает каталитические свойства V 2 O 5 . Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.

Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX 2 (X = F, Cl, Br, I), VX 4 (X = F, Cl, Br), VX 3 , VF 5 , а также несколько оксогалогенидов (например, VOF 3 , VOCl 2 , VOCl и др.).

Давайте рассмотрим основные химические реакции с ванадием.

При нагревании до температуры выше 600 градусов по Цельсию ванадий взаимодействует с кислородом, в результате чего образуется оксид ванадия (V):

4V + 5O2 = 2V2O5.

Оксид ванадия (IV) образуется и при горении элемента на воздухе:

При достижении температуры выше 700 градусов по Цельсию ванадий реагирует с азотом, образуя нитрид:

При нагревании ванадия до температуры 200–300 градусов по Цельсию, он реагирует с галогенами. С хлором образуется хлорид ванадия (IV), с фтором - фторид ванадия (V), с йодом – йодид ванадия (II), с бромом – бромид ванадия (III),:

V + 2Cl2 = VCl4,

2V + 5F2 = 2VF5,

V + I 2 = VI 2,

2V + 3Br 2 = 2VBr 3.

Ванадий при достижении 800 градусов по Цельсию с углеродом образует карбид:

При спекании с кремнием и бором на высоких температурах образуется силицид и борид:

V + 2B = VB2.

При нагревании ванадий реагирует с фосфором и серой:

V + P = VP, может быть образование VP2,

2V + 3S = V2S3, может быть образование VS и VS2.

С водородом ванадий образует твердые растворы.

Ванадий располагается до водорода в ряду напряжений металлов, но, за счет защитной пленки, он довольно инертен, при этом не растворяется в воде, соляной кислоте, на холоде не вступает в реакции с разбавленной азотной и серной кислотами.

Ванадий реагирует с плавиковой кислотой, образуя фторидный комплекс:

2V + 12HF = 2H3 + 3H2;

Реагирует с концентрированной азотной кислотой, образуя нитрат ванадина:

V + 6HNO3 = VO2NO3 + 5NO2 + 3H2O;

Вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой, образуя сульфат ванадила:

V + 3H2SO4 = VOSO4 + 2SO2 + 3H2O

А также с царской водкой, образуя хлорид ванадина:

3V + 5HNO3 + 3HCl = 3VO2Cl + 5NO + 4H2O;

Элемент растворяется в смеси плавиковой и азотной кислоты:

3V + 21HF + 5HNO3 = 3H2 + 5NO + 10H2O,

При этом пассивирующую пленку оксида растворяет плавиковая кислота:

V2O5 + 14HF = 2H2 + 5H2O,

а поверхность металла окисляется за счет азотной кислоты окисляет:

6V + 10HNO3 = 3V2O5 + 10NO + 5H2O

Ванадий не реагирует с растворами щелочей, но в расплавах, если есть воздух, он окисляется, образуя ванадаты:

4V + 12KOH + 5O2 = 4K3VO4 +6H2O.

С металлами ванадий способен образовывать различные интерметаллиды и сплавы.