Vanádium (kémiai elem): névtörténet, atomszerkezet, vegyérték. Vanádium vegyértéke Mi a vanádium vegyértéke

A vanádium egy kémiai elem, amelyet a "V" szimbólum jelképez. A vanádium atomtömege 50,9415 a. e.m., rendszáma - 23. Kemény ezüstszürke, képlékeny és olvadó fém, ritkán fordul elő a természetben. Több mint 60 ásványban található, és még a fosszilis tüzelőanyagokban is megtalálható.

Felismeretlen felfedezés

A fém-vanádiumot először Andres Manuel Del Rio spanyol származású mexikói ásványkutató fedezte fel 1801-ben. Egy kutató új elemet vont ki a Mexikóban bányászott „barna” ólomérc mintájából. Mint kiderült, a fémsók nagyon sokféle színűek, ezért Del Rio eredetileg "panchromium"-nak nevezte el (a görög "παγχρώμιο" - "többszínű" szóból).

Az ásványkutató később az eritrónium elemet átnevezte (a görög „ερυθρός” szóból – „piros”), mert a legtöbb só vörösre vált hevítéskor. Úgy tűnik, hihetetlen szerencse mosolygott egy kevéssé ismert tudósra Európában. A vanádium új kémiai elem felfedezése ha nem is hírnevet, de legalább elismerést ígért a kollégák részéről. A tudományos világ jelentős tekintélyének hiánya miatt azonban a mexikói teljesítményét figyelmen kívül hagyták.

1805-ben a francia kémikus, Hippolyte Victor Collet-Decotils azt javasolta, hogy a Del Rio által vizsgált új elem csak egy szennyeződéseket tartalmazó ólom-kromát minta. Végül a mexikói kutató, hogy ne veszítse el teljesen arcát a tudományos testvériség előtt, elfogadta Collet-Decotille kijelentését, és feladta felfedezését. Eredménye azonban nem merült a feledés homályába. Manapság Andres Manuel Del Riót a ritka fém felfedezőjeként ismerik el.

Újranyitás

1831-ben a svéd Nils Gabriel Sefström újra felfedezte a vanádium kémiai elemet a vasérc megmunkálása során nyert oxidban. A tudós a „V” betűt választotta jelölésének, amelyet még egyetlen elemhez sem rendeltek hozzá. Säfström az új fémet gyönyörű és gazdag színe miatt nevezte el a régi skandináv szépségistennőről, Vanadisról.

A hír fokozott érdeklődést váltott ki a tudományos közösségben. Rögtön eszünkbe jutott a mexikói ásványkutató munkája. Ugyanebben 1831-ben Friedrich Wöhler újra ellenőrizte és megerősítette Del Rio korábbi felfedezését. George William Featherstonhoop geológus pedig még azt is javasolta, hogy a fémet „rióniumnak” nevezzék el a felfedező tiszteletére, de a kezdeményezést nem támogatták.

Nehezen megfogható

A vanádium fém elkülönítése tiszta formájában nehéznek bizonyult. Ezt megelőzően a tudósok csak a sóival dolgoztak. Ezért nem ismertek a vanádium valódi tulajdonságai. 1831-ben Berzelius fémezett anyag beszerzéséről számolt be, de Henry Enfield Roscoe bebizonyította, hogy Berzelius valóban előállított vanádium-nitridot (VN). Roscoe végül 1867-ben állította elő a fémet a vanádium-klorid (VCl 2) hidrogénnel való redukálásával. 1927 óta tiszta vanádiumot nyernek a vanádium-pentoxid kalciummal történő redukálásával.

Az elem első sorozatos ipari felhasználása 1905-re nyúlik vissza. A fémet hozzáadták egy acélötvözethez a versenyautók alvázának elkészítéséhez, majd később a Ford Model T-hez. A Vanadium tulajdonságai csökkentik a szerkezeti súlyt, miközben növelik a szakítószilárdságot. Martin Henze német kémikus egyébként 1911-ben fedezte fel a vanádiumot a tengeri lakosok vérsejtjeiben (vagy cölomikus sejtjeiben) - az accidiumokban.

Fizikai tulajdonságok

A vanádium közepes keménységű, acélos fényű, 6,11 g/cm³ sűrűségű képlékeny, szürke-kék fém. Egyes források lágynak írják le az anyagot, ami azt jelenti, hogy nagy a rugalmassága. Az elem kristályszerkezete összetettebb, mint a legtöbb fémé és acélé.

A vanádium jól ellenáll a korróziónak, lúgoknak, kénsavnak és sósavnak. Levegőben körülbelül 660°C-on (933K, 1220°F) oxidálódik, bár az oxid passziválása még szobahőmérsékleten is megtörténik. Ez az anyag megolvad, amikor a hőmérséklet eléri az 1920 °C-ot, és 3400 °C-on forr.

Kémiai tulajdonságok

A vanádium oxigénnek kitéve négyféle oxidot képez:

A (II) típusú vanádiumvegyületek redukálószerek, az (V) típusú vegyületek pedig oxidálószerek. A (IV) általános képletű vegyületek gyakran a vanadil-kation származékaiként léteznek.

Oxid

A kereskedelmi szempontból legfontosabb vegyület a vanádium-pentoxid. Barnássárga szilárd anyag, bár vizes oldatból frissen kicsapva a színe sötétnarancssárga.

Az oxidot katalizátorként használják kénsav előállításához. Ez a vegyület a kén-dioxidot (SO 2) trioxiddá (SO 3) oxidálja. Ebben a redox reakcióban a kén +4-ről +6-ra, a vanádium pedig +5-ről +4-re redukálódik. A vanádium képlete a következő:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

A katalizátort oxigén oxidációja regenerálja:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Hasonló oxidációs eljárásokat alkalmaznak maleinsavanhidrid, ftálsavanhidrid és számos más ömlesztett szerves vegyület előállításánál.

Ezt az oxidot a ferrovanadium előállításához is használják. Vassal és ferroszilíciummal hevítik, mész hozzáadásával. Alumínium használatakor vas-vanádium ötvözet keletkezik, melléktermékként alumínium-oxiddal együtt. Magas hőellenállási együtthatója miatt a vanádium(V)-oxidot detektoranyagként használják bolométerekben és mikrobolométer tömbökben a hőleképező műszerekben.

Jellemzők

A ritka fémek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek:

• Kristályszerkezet: testközpontú köbös.
• Hangvezetőképesség: 4560 m/s (20°C-on).
• A vanádium vegyértéke: V (ritkábban IV, III, II).
• Hőtágulás: 8,4 µm/(m K) (25°C-on).
• Hővezetőképesség: 30,7 W/(m K).
• Elektromos ellenállás: 197 nΩ m (20°C-on).
• Mágnesesség: paramágneses.
• Mágneses szuszceptibilitás: +255·10 -6 cm 3 /mol (298K).
• Rugalmassági modulus: 128 GPa.
• Nyírási modulus: 47 GPa.
• Ömlesztett rugalmassági modulus: 160 GPa.
• Poisson-hányados: 0,37.
• Keménység a Mohs-skálán: 6,7.
• Vickers keménység: 628-640 MPa.
• Brinell keménység: 600-742 MPa.
• Elemkategória: átmeneti fém.
• Elektronikus konfiguráció: 3d 3 4s 2.
• Olvadási hő: 21,5 kJ/mol.
• Párolgáshő: 444 kJ/mol.
• Moláris hőkapacitás: 24,89 J/(mol K).

A periódusos rendszerben a vanádium az 5. csoportban (vanádium alcsoport), a 4. periódusban található, d-blokk.

Terítés

A vanádium az Univerzum léptékében az anyag teljes térfogatának körülbelül 0,0001%-a. Olyan gyakori, mint a réz és a cink. A fémet a Nap és más csillagok spektrális ragyogásában fedezték fel.

Az elem a 20. legnagyobb mennyiségben előforduló elem a földkéregben. A fém-vanádium meglehetősen ritka kristályos formában, de ennek az anyagnak a vegyületei 65 különböző ásványban találhatók. Közülük gazdaságilag jelentős a patronit (VS 4), a vanadinit (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) és a karnotit (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 3 H 2 O.

Vanadil ionok bőségesen fordulnak elő a tengervízben, átlagos koncentrációjuk 30 nMa. Egyes ásványvízforrások is nagy koncentrációban tartalmazzák ezeket az ionokat. Például a Fuji-hegy közelében lévő források akár 54 µg/l-t is tartalmaznak.

Termelés

Ennek a ritka fémnek a nagy részét a vanádium-magnetitból nyerik, amely ultramafikus magmás gabbro kőzetekben található. A nyersanyagokat főleg Dél-Afrikában, Északnyugat-Kínában és Kelet-Oroszországban bányászják. 2013-ban ezekben az országokban állították elő az összes vanádium több mint 97%-át (79 000 tonna tömeg).

A fém jelen van a bauxitban és a kőolaj-, szén-, olajpala- és kátrányhomok lelőhelyein is. A kőolajban 1200 ppm-ig terjedő koncentrációt jelentettek. A vanádium (egyes oxidjai) oxidáló tulajdonságai miatt az ilyen kőolajtermékek elégetése után az elem maradványai korróziót okozhatnak a motorokban és kazánokban.

Becslések szerint évente 110 000 tonna anyag kerül a légkörbe fosszilis tüzelőanyagok elégetésével. Napjainkban olyan technológiákat fejlesztenek ki, amelyek értékes anyagokat nyernek ki szénhidrogénekből.

Termelés

A vanádiumot elsősorban acélötvözetek, úgynevezett ferroötvözetek adalékaként használják. A ferrovanádiumot közvetlenül a vegyérték (V) vanádium-oxid, vas-oxidok és tiszta vas keverékének elektromos kemencében történő redukálásával állítják elő.

A fémet többlépéses eljárással állítják elő, amely az őrölt vanádium-magnetit érc pörkölésével kezdődik nátrium-klorid (NaCl) vagy nátrium-karbonát (Na2CO3) hozzáadásával körülbelül 850 °C-on, így nátrium-metavanadátot (NaVO3) állítanak elő. Ennek az anyagnak a vizes kivonatát megsavanyítják, így polivanadátsót kapnak, amelyet fémkalciummal redukálnak. A kisüzemi termelés alternatívájaként a vanádium-pentoxidot hidrogénnel vagy magnéziummal redukálják.

Sok más módszert is alkalmaznak, amelyek mindegyike más eljárások melléktermékeként vanádiumot állít elő. Tisztítása az Anton Eduard van Arkel és Jan Hendrik de Boer által 1925-ben kidolgozott jodidos módszerrel lehetséges. Ez magában foglalja a vanádium(III)-jodid képződését és ezt követő bomlását, így tiszta fém keletkezik:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

A japánok meglehetősen egzotikus módszert találtak ki ennek az elemnek a megszerzésére. Víz alatti ültetvényeken tenyésztik az ascidiánokat (egyfajta chordata), amelyek felszívják a tengervízből a vanádiumot. Ezután összegyűjtik és elégetik. A keletkező hamuból értékes fémet vonnak ki. Egyébként koncentrációja ebben az esetben sokkal magasabb, mint a leggazdagabb lelőhelyeken.

Ötvözetek

Mik azok a vanádiumötvözetek? Az előállított ritka fémek körülbelül 85%-át ferrovanadium előállítására vagy acél adalékanyagaként használják fel. A 20. század elején felfedezték, hogy már kis mennyiségű vanádium is jelentősen növeli az acél szilárdságát. Ez az elem stabil nitrideket és karbidokat képez, ami javítja az acélok és ötvözetek jellemzőit.

Azóta a vanádiumot tengelyekben, keretekben, főtengelyekben, fogaskerekekben és más fontos alkatrészekben használják a kerekes járművekben. Az ötvözetek két csoportja van:

• Magas széntartalmú, 0,15-0,25% vanádium tartalommal.
• Nagysebességű szerszámacélok (HSS), amelyek 1% és 5% között tartalmazzák ezt az elemet.

HRC 60 feletti keménység érhető el HSS minőségű acéloknál. Sebészeti műszerekben használják. A porkohászatban az ötvözetek akár 18% vanádiumot is tartalmazhatnak. Ezekben az ötvözetekben a magas karbidtartalom jelentősen növeli a kopásállóságot. Eszközök és kések készülnek belőlük.

A vanádium tulajdonságainak köszönhetően stabilizálja a titán béta formáját, növeli annak szilárdságát és hőmérsékleti stabilitását. A titánötvözetekben alumíniummal keverve sugárhajtóművekben, nagysebességű repülőgépekben és fogászati ​​implantátumokban használják. A varrat nélküli csövek leggyakoribb ötvözete a titán 3/2,5, amely 2,5% vanádiumot tartalmaz. Ezeket az anyagokat széles körben használják a repülőgépiparban, a védelmi és a kerékpáriparban. Egy másik elterjedt ötvözet, amelyet elsősorban lapokban állítanak elő, a titán 6AL-4V, amely 6% alumíniumot és 4% vanádiumot tartalmaz.

Számos vanádiumötvözet szupravezető tulajdonságokkal rendelkezik. Az első fázisú szupravezető A15 egy V 3 Si vanádiumvegyület volt, amelyet 1952-ben kaptak. A vanádium-gallium szalagot szupravezető mágnesekben használják. Az A15 V 3 Ga szupravezető fázis szerkezete hasonló a gyakoribb szupravezetők szerkezetéhez: a trinióbium-stannidhoz (Nb 3 Sn) és a nióbium-titánhoz (Nb 3 Ti).

A közelmúltban a tudósok felfedezték, hogy a középkorban kis mennyiségű vanádiumot (40-270 ppm) adtak néhány damaszkuszi és damasztacél mintához. Ez javította a pengék tulajdonságait. Azt azonban nem tudni, hol és hogyan bányászták a ritka fémet. Talán néhány érc része volt.

Alkalmazás

A kohászat mellett a vanádiumot más célokra is használják. A neutronbefogással előállított izotópok termikus neutronbefogási keresztmetszete és rövid felezési ideje a fémet alkalmas anyaggá teszi a fúziós reaktor belsejében.

A legelterjedtebb vanádium-oxidot, a V 2 O 5 -pentoxidot katalizátorként használják a kénsav előállításához, és oxidálószerként a maleinsavanhidrid előállításához. A vanádiumhabot kerámiatermékek gyártásához használják.

A fém fontos komponense a vegyes fém-oxid katalizátoroknak, amelyeket propán és propilén akroleinné, akrilsavvá történő oxidációjában vagy propilén akrilnitrillé történő ammoxidációjában használnak. Egy másik vanádium-oxidot, a VO 2 -dioxidot olyan üvegbevonatok előállítására használják, amelyek bizonyos hőmérsékleteken blokkolják az infravörös sugárzást.

A vanádium redox akkumulátor egy feszültségcella, amely különböző oxidációs állapotú vizes vanádium ionokból áll. Az ilyen típusú akkumulátorokat először az 1930-as években javasolták, és a kereskedelmi felhasználás az 1980-as években kezdődött. A vanadát az acél korrózió elleni védelmére használható.

A vanádium fontos az emberi egészség szempontjából. Segít szabályozni a szén- és lipidanyagcserét, és részt vesz az energiatermelésben. Az anyagból napi 6-63 mcg (WHO adatok) étkezésből történő fogyasztása javasolt. Teljesen elegendő gabonafélékben, hüvelyesekben, zöldségekben, fűszernövényekben és gyümölcsökben.

A vanádium leírása és tulajdonságai

A vanádiumot eredetileg a mexikói A.M. fedezte fel. Del Rio ólmot tartalmazó barna ércekben, amelyek hevítéskor vöröses színt adnak.

Az elemet azonban később hivatalosan is elismerték, amikor egy svéd vegyész, N. G. Sefstrom felfedezte, miközben egy helyi lelőhelyből származó vasércet tanulmányozta, és a Vanádium nevet adta, ami megegyezik az ókori görög szépségistennő által viselt Vanadis névvel. .

Megjelenésében a fém ezüstszürke színével az acélra hasonlít. De itt véget is érnek a hasonlóságok. Vanádium szerkezet: köbös testközéppontú rács a=3,024A és z=2 paraméterekkel. Sűrűsége 6,11 g/cm3.

1920 o C-on megolvad, 3400 o C-on forrni kezd. De a szabad levegőn 300 o C feletti hőmérsékletre hevítés csökkenti a fém plasztikus tulajdonságait, törékennyé teszi, miközben növeli a keménységét. A fématom szerkezete segít megérteni ezt a viselkedést.

vanádium elem, 23-as rendszámával és 50,942-es atomtömegével a D-rendszer negyedik periódusának V. csoportjába tartozik. Ez pedig azt jelenti vanádium atom 23 protonból, 23 elektronból és 28 neutronból áll.

Annak ellenére, hogy ez egy V. csoport elem, vanádium vegyérték nem mindig egyenlő 5-tel. Lehet 2, 3, 4 és 5 pozitív előjellel. A különböző vegyértékértékeket az elektronikus héjak töltésének különböző lehetőségei magyarázzák, amelyeknél stabil állapotba kerülnek.

Ismeretes, hogy a vegyérték pozitív értékét egy kémiai elem atomja által adományozott elektronok száma határozza meg, a negatív értéket pedig a külső energiaszinthez kötődő elektronok száma határozza meg annak stabilitását. Elektronikus vanádium formula- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3.

A 4. alszintről könnyen tud két elektront adományozni, míg oxidációs állapota a 2 vegyértékű pozitív megnyilvánulásnak köszönhető. De ennek az elemnek egy atomja képes további 3 elektront leadni a külső alszintet megelőző pályáról, és maximum +5 oxidációs állapotot mutat.

Ennek az elemnek a 2-5 vegyértékű oxidjai kémiai megnyilvánulásaikban különböznek. A VO és a V 2 O 3 oxidok bázikus jellegűek, a VO 2 amfoter és a V 2 O 5 savas.

A tiszta fémet rugalmassága jellemzi, ezért könnyen megmunkálható bélyegzéssel, préseléssel és hengerléssel. A hegesztést és a vágást közömbös környezetben kell végezni, mivel hevítés hatására a hajlékonyság elveszik.

A feldolgozás során a fém gyakorlatilag nem keményedik ki, és hidegen sajtolva, közbenső izzítás nélkül ellenáll a nehéz terheléseknek. Ellenáll a korróziónak, és nem változik víz hatására, beleértve a tengervizet, valamint egyes savak, sók és lúgok gyenge oldatait.

Vanádium lelőhelyek és bányászat

Vanádium kémiai elem, a szárazföldi kőzetekben meglehetősen gyakori, de tiszta formában nem fordul elő, az ásványokban diszpergált állapotban van jelen. Felhalmozódása kőzetekben nagyon ritka. Ez egy ritka fém. Az 1% tisztaságú anyagot tartalmazó érc gazdagnak minősül.

Az ipar még a 0,1%-ban ritka elemet tartalmazó érceket sem hanyagolja el. Alacsony koncentrációban több mint negyven ásványban található meg. Az ipar számára fontos a roscoelit, az úgynevezett vanádiumcsillám, amely legfeljebb 29% V 2 O 5 pentoxidot tartalmaz, a karnotit (uráncsillám), amely 20% V 2 O 5 tartalmú, és a vanadinit, amely 19% V 2 O 5 tartalmú.

A fémet tartalmazó nagy érctelepek Amerikában, Dél-Afrikában, Oroszországban, Finnországban és Ausztráliában találhatók. A perui hegyekben nagy lelőhely található, ahol ként tartalmazó V 2 S 5 patronit képviseli. Kiégetéskor koncentrátum képződik, amely legfeljebb 30% V 2 O 5 -ot tartalmaz.

Az ásványt Kirgizisztánban és Kazahsztánban találták. A híres Kyzylorda mező az egyik legnagyobb. Oroszországban főleg a krasznodari régióban (Kercsi lelőhely) és az Urálban (Gusevogorsk titanomagnetit lelőhely) bányászják.

A fém kitermelésének technológiája a tisztaságra és a felhasználási területre vonatkozó követelményektől függ. Az előállítás technológiájában alkalmazott fő módszerek a jodid, kalceterm, aluminoterm, szén-termikus vákuumban és klorid.

A jodid módszer technológiája a jodid termikus disszociációján alapul. Általánosan elterjedt, hogy fémet V 2 O 5 kalcium vagy alumínium felhasználásával termikus módszerrel redukálva nyernek.

Ebben az esetben a reakció a következő képlet szerint megy végbe: V 2 O 5 +5Ca = 2V+5CaC+1460 kJ hő felszabadulásával, ami elegendő a keletkező V megolvasztásához, ami lehetővé teszi a lefolyást és szilárd formában összegyűjtését. . Az így kapott fém tisztasága eléri a 99,5%-ot.

A V extrakciójának korszerű módszere az oxidok redukciója vákuumban szénnel 1250 o C és 1700 o C közötti hőmérsékleten. A kloridos extrakciós módszer a VCl 3 folyékony magnéziummal történő redukcióját foglalja magában.

A vanádium alkalmazásai

A fém egyik fő felhasználása ötvöző adalékként volt - ferrovanadium az acélok minőségének javítására. A vanádium hozzáadása növeli az acél szilárdsági paramétereit, valamint szívósságát, kopásállóságát és egyéb jellemzőit.

Ebben az esetben az adalékanyag deoxidálószerként és karbidképző komponensként is funkcionál. A karbidok egyenletesen oszlanak el az ötvözetben, megakadályozva az acélszemcsék szerkezeti növekedését hevítés közben. A vanádiummal ötvözött öntöttvas is javítja a minőségét.

Vanádiumot használnak a titán alapú ötvözetek javítására. Van titán, amely ennek az ötvöző adaléknak akár 13%-át is tartalmazza. A vanádium jelen van a repülési iparban használt nióbium, tantál és króm ötvözeteiben, valamint alumíniumban, titánban és más repülési és rakétaipari anyagokban is.

Az elem egyedisége lehetővé teszi a nukleáris iparban való felhasználását az atomerőművek üzemanyagrudakhoz való csatornacsövek gyártásában, mivel a cirkóniumhoz hasonlóan rendelkezik a termikus neutronok alacsony keresztirányú befogásával, ami fontos a nukleáris folyamat során. reakciók. Az atomi hidrogéntechnológiában a vanádium-kloridot a vízzel való termokémiai kölcsönhatásra használják.

A vanádiumot a vegyiparban és a mezőgazdaságban, az orvostudományban, az üveggyártásban, a textil-, a festék- és lakkgyártásban, valamint az akkumulátorgyártásban használják. Széles körben elterjedt kézi és ötvözött szerszámok króm-vanádium, tartósságukkal tűnnek ki.

Az egyik legújabb terület az elektronika. Különösen érdekes és ígéretes egy dioxid alapú anyag. titán és vanádium. Különleges módon kombinálva olyan rendszert hoznak létre, amely képes jelentősen növelni a számítógépek és más elektronikus eszközök memóriáját és sebességét.

Vanádium ár

Kész alapanyagként vanádium szabadul fel rudak, körök, valamint oxidok formájában. Számos, ennek a tűzálló fémnek a gyártásával foglalkozó vállalkozás választéka különböző minőségű ötvözeteket tartalmaz. Az ár nagymértékben függ a céltól, a fém tisztaságától, a gyártási módtól, valamint a termék típusától.

Például a jekatyerinburgi NPK „Special Metallurgy” vállalat 7 ezer/kg áron, 440–500 ezer tonnán, VNM-1 minőségű tuskákat árul 500 ezer tonnánként. Az ár a piaci viszonyok és a termékek iránti kereslet függvényében is változhat.

MEGHATÁROZÁS

Egyszerű anyag formájában vanádium szürke tűzálló fém testközpontú köbös ráccsal. A periódusos rendszer másodlagos (B) alcsoportjának V. csoportjának negyedik periódusában található.

Sűrűség - 6,11 g/cm3. Olvadáspontja 1920 o C, forráspontja 3400 o C. A vanádium fizikai-kémiai tulajdonságai erősen függnek a fém tisztaságától. Így a tiszta fém képlékeny, míg a benne lévő szennyeződések nagymértékben rontják a rugalmasságát és növelik a keménységét. Normál körülmények között kémiailag ellenálló fém.

A vanádium vegyértéke a vegyületekben

A vanádium a negyedik periódusban található a periódusos rendszer D.I. VB csoportjában. Mengyelejev. A rendszám 23. A vanádium atom magja 23 protont és 27 neutront tartalmaz (tömegszáma 50). A vanádium atom négy energiaszinttel rendelkezik, amelyek 23 elektront tartalmaznak (1. ábra).

Rizs. 1. A vanádium atom szerkezete.

A vanádium atom elektronikus képlete alapállapotban a következő:

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

És az energiadiagram (csak a külső energiaszintű elektronokhoz készült, amelyeket egyébként vegyértéknek neveznek):

Három párosítatlan elektron jelenléte azt jelzi, hogy a vanádium vegyületeiben III vegyértéket mutathat (V III 2 O 3, V III F 3, V III Cl 3).

A vanádium atom képes gerjesztett állapotba lépni: a 4s alszint elektronjai elpárolognak, és egyikük a 3d alszint egy üres pályáját foglalja el:

Öt párosítatlan elektron jelenléte azt jelzi, hogy a vanádium is V vegyértéket mutat vegyületeiben (V V 2 O 5, V V F 5).

Ismeretes, hogy a vanádiumnak II (V II O) és IV (V IV O 2, V IV Cl 4) vegyértéke van.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Vanádium(Vanádium), V, Mengyelejev periodikus rendszerének V. csoportjának kémiai eleme; rendszám 23, atomtömeg 50,942; fém szürke-acél színű. A természetes vanádium két izotópból áll: 51 V (99,75%) és 50 V (0,25%); ez utóbbi gyengén radioaktív (felezési idő T ½ = 10 14 év). A vanádiumot 1801-ben fedezte fel A. M. del Rio mexikói ásványkutató mexikói barna ólomércben, és a hevített sók gyönyörű vörös színe miatt erythroniumnak (a görög erythros szóból – vörös) nevezte el. 1830-ban N. G. Sefström svéd kémikus Tabergből (Svédország) egy új elemet fedezett fel a vasércben, és Vanadisz óskandináv szépségistennő tiszteletére vanádiumnak nevezte el. 1869-ben G. Roscoe angol vegyész porított fémes vanádiumot kapott a VCl 2 hidrogénnel való redukálásával. A vanádiumot a 20. század eleje óta bányászták ipari méretekben.

A földkéreg vanádiumtartalma 1,5·10 -2 tömegszázalék, meglehetősen gyakori, de kőzetekben és ásványokban elszórtan előforduló elem. A nagyszámú vanádium ásványok közül a patronit, a roscoelit, a decloysit, a carnotit, a vanadinit és néhány más ipari jelentőségű. A vanádium fontos forrása a titanomagnetit és az üledékes (foszforos) vasércek, valamint az oxidált réz-ólom-cink ércek. A vanádiumot melléktermékként nyerik ki az urán nyersanyagok, foszforitok, bauxitok és különféle szerves lerakódások (aszfaltitok, olajpala) feldolgozása során.

A vanádium fizikai tulajdonságai. A vanádium testközpontú köbös rácsával rendelkezik, amelynek periódusa a=3,0282Å. Tiszta állapotában a vanádium képlékeny és nyomással könnyen megmunkálható. Sűrűség 6,11 g/cm3; olvadáspontja 1900°С, forráspontja 3400°С; fajlagos hőkapacitás (20-100°C-on) 0,120 cal/g deg; lineáris tágulási együttható (20-1000°C-on) 10,6·10 -6 fok -1; elektromos ellenállás 20°C-on 24,8·10-8 ohm·m (24,8·10-6 ohm·cm); 4,5 K alatt a vanádium szupravezető állapotba kerül. A nagy tisztaságú vanádium mechanikai tulajdonságai izzítás után: rugalmassági modulus 135,25 n/m2 (13520 kgf/mm2), szakítószilárdság 120 n/m2 (12 kgf/mm2), nyúlás 17%, Brinell keménység 700 mn /m 2 (70 kgf/) mm 2). A gázszennyeződések élesen csökkentik a vanádium képlékenységét, és növelik keménységét és törékenységét.

A vanádium kémiai tulajdonságai. Normál hőmérsékleten a vanádiumot nem befolyásolja a levegő, a tengervíz és a lúgos oldatok; ellenáll a nem oxidáló savaknak, kivéve a hidrogén-fluoridot. A sósav és a kénsav korrózióállósága tekintetében a vanádium lényegesen jobb, mint a titán és a rozsdamentes acél. Levegőn 300°C fölé melegítve a vanádium felszívja az oxigént és törékennyé válik. 600-700°C-on a vanádium intenzíven oxidálódik, így V 2 O 5 oxid, valamint alacsonyabb oxidok keletkeznek. Amikor a vanádiumot nitrogénáramban 700 °C fölé hevítjük, VN nitrid képződik (forráspontja 2050 °C), amely vízben és savakban stabil. A vanádium magas hőmérsékleten reagál szénnel, és tűzálló karbid VC-t eredményez (olvadáspont: 2800 °C), amely nagy keménységgel rendelkezik.

A vanádium a 2., 3., 4. és 5. vegyértéknek megfelelő vegyületeket ad; Ennek megfelelően a következő oxidok ismertek: VO és V 2 O 3 (bázikus természetű), VO 2 (amfoter) és V 2 O 5 (savas). A 2 és 3 vegyértékű vanádium vegyületei instabilak és erős redukálószerek. A magasabb vegyértékű vegyületek gyakorlati jelentőséggel bírnak. A vanádium különböző vegyértékű vegyületek képzésére való hajlamát az analitikai kémia használják, és meghatározza a V 2 O 5 katalitikus tulajdonságait is. A vanádium (V)-oxid lúgokban oldódik vanadátokat képezve.

Vanádium beszerzése. A vanádium kinyerésére a következőket alkalmazzák: az érc vagy érckoncentrátum közvetlen kilúgozása savak és lúgok oldataival; a nyersanyag pörkölése (gyakran NaCl-adalékkal), majd a pörkölési termék vízzel vagy híg savakkal történő kilúgozása. A hidratált vanádium (V)-oxidot hidrolízissel izolálják az oldatokból (pH = 1-3). A vanádium tartalmú vasércek nagyolvasztóban történő olvasztásakor a vanádium öntöttvassá alakul, acéllá feldolgozva pedig 10-16% V 2 O 5 tartalmú salakot kapnak. A vanádium salakokat asztali sóval pörköljük. Az elégetett anyagot vízzel, majd híg kénsavval kilúgozzák. Az oldatokból V 2 O 5 izolálódik. Ez utóbbit ferrovanadium (35-70% vanádiumot tartalmazó vasötvözetek) olvasztására, valamint fémes vanádium és vegyületeinek előállítására használják. A képlékeny fém-vanádiumot tiszta V 2 O 5 vagy V 2 O 3 kalcium-termikus redukciójával nyerik; V 2 O 5 csökkentése alumíniummal; V 2 O 3 vákuum szén-termikus redukciója; a VCl 3 magnézium-termikus redukciója; vanádium-jodid termikus disszociációja. A vanádiumot vákuumívkemencékben fogyóelektródával és elektronsugaras kemencékben olvasztják.

Vanádium alkalmazása. A vaskohászat a vanádium fő fogyasztója (az összes előállított fém 95%-a). A vanádium a gyorsacél, annak helyettesítői, az alacsony ötvözetű szerszámacélok és egyes szerkezeti acélok része. A 0,15-0,25%-os vanádium bevezetésével az acél szilárdsága, szívóssága, fáradtságállósága és kopásállósága meredeken növekszik. Az acélba bevitt vanádium deoxidáló és karbidképző elem is. A diszpergált zárványok formájában eloszló vanádium-karbidok megakadályozzák a szemcsék növekedését az acél melegítése során. A vanádiumot mesterötvözet - ferrovanadium - formájában juttatják az acélba. A vanádiumot öntöttvas ötvözésére is használják. A vanádium fogyasztója a titánötvözet-ipar; egyes titánötvözetek akár 13% vanádiumot is tartalmaznak. A nióbium-, króm- és tantál alapú, vanádium-adalékanyagokat tartalmazó ötvözetek felhasználásra találtak a repülésben, rakétákban és a technológia más területein. A vanádium alapú, Ti, Nb, W, Zr és Al hozzáadásával készült hőálló és korrózióálló ötvözetek különféle összetételét fejlesztik repülési, rakéta- és nukleáris technológiai célokra. Érdekesek a szupravezető ötvözetek és a vanádium Ga, Si és Ti vegyületei.

A tiszta fémes vanádiumot az atomenergiában (fűtőelemek héjai, csövek) és elektronikai eszközök gyártásában használják. A vanádiumvegyületeket a vegyiparban katalizátorként, a mezőgazdaságban és az orvostudományban, a textil-, festék- és lakk-, gumi-, kerámia-, üveg-, fotó- és filmiparban használják.

A vanádiumvegyületek mérgezőek. Mérgezés a Vanadiz vegyületeket tartalmazó por belélegzésével lehetséges. Légúti irritációt, tüdővérzést, szédülést, szív-, veseműködési zavarokat okoznak.

Vanádium a szervezetben. A vanádium a növényi és állati szervezetek állandó összetevője. A vanádium forrása magmás kőzetek és palák (kb. 0,013% vanádiumot tartalmaz), valamint homokkő és mészkövek (kb. 0,002% vanádium). A talajban a vanádium körülbelül 0,01% (főleg a humuszban); édes- és tengervizekben 1·10 -7 -2·10 -7%. A szárazföldi és vízi növényekben a vanádiumtartalom jóval magasabb (0,16-0,2%), mint a szárazföldi és tengeri állatokban (1,5·10 -5 - 2·10 -4%). A vanádium koncentrátorai a következők: a Plumatella bryozoa, a Pleurobranchus plumula puhatestű, a tengeri uborka Stichopus mobii, néhány ascidián, penészgombákból - fekete aspergillus, gombából - varangygomba (Amanita muscaria).