Вана́дий ( химический символ — V, от лат. V anadium ) — химический элемент 5-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы пятой группы, VB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 23 и атомной массой 50,9415(1) . Элемент относится к переходным металлам .

Простое вещество ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета , покрывается на воздухе красивой плёнкой из оксидов ванадия , разные цвета которой обусловлены разной толщиной оксидного слоя .

История

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 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 .

Названия

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 ) . В 1831 году геолог предложил переименовать ванадий в «рионий» (в честь Дель Рио), но это предложение не было поддержано .

Нахождение в природе

Ванадий является 20-м по распространённости элементом в земной коре . Он 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 VS ₄ , ванадинит Pb ₅ (VO ₄ ) ₃ Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

(VO ²⁺ ) в изобилии находится в морской воде, имея среднюю концентрацию 30 нМа . Некоторые источники минеральной воды также содержат ион в высоких концентрациях. Например, источники около горы Фудзи содержат до 54 мкг ванадия на литр .

Месторождения

В течение первого десятилетия XX века большая часть ванадиевой руды добывалась американской компанией Vanadium из Минас-Рагра в Перу. Позднее увеличение спроса на уран привело к увеличению добычи руды этого металла. Одной из основных урановых руд был карнотит , который также содержит ванадий. Таким образом, ванадий стал доступным как побочный продукт производства урана. Со временем добыча урана стала обеспечивать большую долю спроса на ванадий .

Известны месторождения в Перу, США, ЮАР, Финляндии, Австралии, Армении, Турции, Англии, России . Одним из крупнейших месторождений ванадия называют Чинейское месторождение в Забайкальском крае .

Физические свойства

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета , по внешнему виду похож на сталь. Образует кристаллы кубической сингонии (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im 3 m , параметры ячейки a = 0,3024 нм , Z = 2 . 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 .

Изотопы

Природный ванадий состоит из двух изотопов : слаборадиоактивного ⁵⁰ V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного ⁵¹ V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5⋅10 ¹⁷ лет , то есть для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в ⁵⁰ Ti , а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад , превращаясь в ⁵⁰ Cr .

Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний ). Из них наиболее стабильны ⁴⁹ V ( T _1/2 =337 дней) и ⁴⁸ V ( T _1/2 =15,974 дня).

Химические свойства

Химически ванадий довольно инертен. Он имеет хорошую стойкость к коррозии, к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей .

С кислородом ванадий образует несколько оксидов : VO, V ₂ O ₃ , VO ₂ ,V ₂ O ₅ . Оранжевый V ₂ O ₅ — кислотный оксид, тёмно-синий VO ₂ — амфотерный, остальные оксиды ванадия — осно́вные.

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)	V 2 O 3	4,87	1967	3000	149,88	Чёрный
Оксид ванадия(IV)	VO 2	4,571 г/см³	1542	2700	82,94	Тёмно-голубой
Оксид ванадия(V)	V 2 O 5	3,357	670	2030	181,88	Красно-жёлтый

Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX ₂ (X = F , Cl , Br , I ), VX ₃ , VX ₄ (X = F , Cl , Br ), VF ₅ и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl ₂ , VOF ₃ 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 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V ₂ S ₅ , силицид ванадия V ₃ Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V ₂ O ₅ с осно́вными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO ₃ .

Взаимодействует с кислотами .

• С концентрированной азотной кислотой :

${\displaystyle {\mathsf {V+6HNO_{3}{\xrightarrow {t^{\circ }}}VO_{2}NO_{3}+5NO_{2}\uparrow +3H_{2}O}}}$

Получение

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 NaVO ₃ . 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, термическим восстановлением оксидов ванадия (V ₂ O ₅ или V ₂ O ₃ ) кальцием, термической диссоциацией VI ₂ и другими методами.

Некоторые из разновидностей асцидий обладают уникальной особенностью: в их крови содержится ванадий. Асцидии поглощают его из воды. В Японии предложено разводить асцидий на подводных плантациях, собирать их урожай, сжигать и получать золу, в которой ванадий содержится в более высокой концентрации, чем в руде многих его месторождений .

Применение

Водородная энергетика

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

Химические источники тока

Пентаоксид ванадия широко применяется в качестве положительного электрода (анода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах .

В производстве серной кислоты

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

Металлургия

Свыше 90 % всего производимого ванадия находит применение в качестве легирующей добавки в сталях , главным образом, высокопрочных низколегированных, в меньшей степени, нержавеющих и инструментальных, а также в производстве высокопрочных титановых сплавов , основанных на системе Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6, содержит около 4 % ванадия). В сталях ванадий образует мелкодисперсные карбиды VC, что повышает механические свойства и стабильность структуры. Его применение особенно эффективно совместно с вольфрамом, молибденом и никелем. В конструкционных сталях содержание ванадия не превышает, как правило, 0,25 %, в инструментальных и быстрорежущих доходит до 4 %. В российской номенклатуре сталей ванадий обозначается буквой Ф.

Автомобильная промышленность

Ванадий используется в деталях, требующих очень высокой прочности, таких как поршни автомобильных двигателей. Американский промышленник Генри Форд отмечал важную роль ванадия в автомобильной промышленности. «Если бы не было ванадия — не было бы автомобиля». — Говорил Форд . Ванадиевая сталь позволила уменьшить вес при увеличении прочности при растяжении .

Нефтедобыча

Ванадиевая сталь используется при создании погружных буровых платформ для бурения нефтяных скважин .

Сувенирная продукция

Частные компании США выпускают медали и коллекционные жетоны из чистого ванадия. Одна из ванадиевых медалей вышла в 2011 году .

Электроника

Полупроводниковый материал на основе диоксида ванадия применяют для термисторов , переключателей элементов памяти и дисплеев .

Производство

• Россия : Евраз Ванадий Тула, Чусовской металлургический завод
• Чехия : Мнишек-под-Брди
• США : Хот-Спрингс
• ЮАР : Бритс

Биологическая роль и воздействие

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Ванадий и многие его соединения токсичны (для человека ) в высоких концентрациях. Наиболее токсичны соединения пятивалентного ванадия. Ядовит его оксид(V) V ₂ O ₅ (ядовит при попадании внутрь организма и при вдыхании поражает дыхательную систему). Полулетальная доза ЛД50 оксида ванадия(V) для крыс перорально составляет 10 мг/кг .

Ванадий и его соединения очень токсичны для водных организмов (окружающей среды).

Установлено, что ванадий может тормозить синтез жирных кислот , подавлять образование холестерина . Ванадий ингибирует ряд ферментных систем ^{[ источник не указан 3026 дней ]} , тормозит фосфорилирование и синтез АТФ , снижает уровень коферментов А и Q , стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование.

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. 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 ванадия выявлено у некоторых морских беспозвоночных ( голотурий и асцидий ), у которых он входит в состав белковых комплексов плазмы и форменных элементов крови и целомической жидкости. В клетках крови асцидий массовая доля ванадия может доходить до 0,88 % . Функция элемента в организме до конца не ясна , разные учёные 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.

См. также

Примечания

Ссылки

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных ссылок www.xumuk.ru/encyklopedia/699.html