Ванадия оксиды

Оксид ванадия: формулы, свойства

К середине XX века в химической науке появился термин – металлы стратегического значения. Под ним подразумевали группу элементов, физико-химические свойства которых позволяли их использовать в производствах военно-промышленного комплекса. Речь идет о таких металлах, как хром, тантал, ниобий, молибден и вольфрам.

Ванадий, свойства которого мы рассмотрим в данной статье, также по праву занимает одно из центральных мест среди металлов, применяемых в современном машиностроении, черной металлургии, инструментальном и химическом производстве. Металл образует с кислородом четыре оксида, проявляя в них валентность, равную 2, 3, 4 и 5.

Наибольший практический интерес представляет соединение с наивысшей степенью окисления металла – V2O5, которое мы изучим более подробно.

Знакомимся с ванадием

В химической науке существует давно устоявшееся правило, гласящее, что характеристику химического элемента нужно начинать с его положения в периодической системе Д.И. Менделеева. Химическая формула ванадия как простого вещества – V, порядковый номер – 23, атомная масса — 50,9414.

Он располагается в четвертом периоде, пятой группе и, вместе с ниобием и танталом, является типичным представителем тугоплавких металлов. Образцы чистого вещества пластичны и имеют серебристо-серый цвет.

Атом ванадия является d-элементом, имеет на последнем энергетическом уровне два s-электрона, однако валентными будут также и те отрицательные частицы, которые расположены на d-подуровне этого же четвертого уровня.

Ранее мы говорили о пластичности и ковкости простого вещества, теперь добавим, что важные физические свойства ванадия – это высокие температуры кипения и плавления, равные, соответственно, 3400 °С и 1920 °С.

Подобно титану он резко ухудшает свои физико-химические параметры при загрязнении такими примесями, как азот, водород или кислород. В частности, снижаются его пластичность и механическая прочность, и ванадий становится хрупким.

Особенные химические свойства

Металл способен к пассивации, т.е. имеет уникальную способность противостоять действию агрессивных химических сред: растворам кислот, щелочей и солей, образуя на своей поверхности защитную пленку — оксид ванадия. Кристаллическая решетка элемента имеет кубическую структуру.

Отметим также, что антикоррозионная стойкость сталей, содержащих элемент, очень высока, что позволяет использовать их в качестве несущих креплений опор мостов и морских нефтяных буровых установок. Нельзя представить без ванадийсодержащих сталей и современное инструментальное производство.

Вместе с ниобием, хромом и титаном элемент применяют для легирования специальных сплавов, применяемых в ракетостроении и космической промышленности. Однако концентрированная нитратная и сульфатная кислоты, раствор фтороводорода в воде и смесь хлоридной и нитратной кислот, называемая царской водкой, легко взаимодействуют с металлом.

Элемент ванадий как простое вещество может реагировать с хлором, бромом, серой, при этом образуются соответствующие соли. С кислородом дает несколько оксидов, сильно отличающихся между собой своими химическими свойствами. Рассмотрим их далее.

Основные и амфотерные оксиды

Металл образует два оксида – VO и V2O3, которые проявляют типичные основные свойства. В лаборатории монооксид добывают реакцией восстановления V2O5 мелкодисперсным порошком ванадия. Основные оксиды реагируют с растворами кислот, образуя соответствующие соли.

А уже из них можно получить гидроксиды, проводя реакцию обмена со щелочами. Оксид ванадия (III) обнаруживается в качестве компонента минерала карелианита, а получают его в лабораторных условиях при нагревании V2O5 с серой, углем или водородом. Оба основных оксида имеют сильно выраженные восстановительные свойства.

Оксид ванадия (IV) притягивает воду, т.е. является гигроскопичным веществом, в реакциях ведет себя, как восстановитель.

Гемипентоксид ванадия

Соединение, формула которого V2O5, — наиболее важный оксид металла. Это водоростворимое кристаллическое вещество оранжевого цвета, реагирующее со щелочами с образованием ванадатов – солей метаванадиевой кислоты HVO3.

Широко применяется в качестве катализатора в реакции окисления двуокиси серы до серного ангидрида в промышленном производстве сульфатной кислоты. Пятиокись ванадия имеет ромбическую кристаллическую решетку и признаки амфотерности с преобладанием свойств кислотного оксида.

В реакциях ведет себя как сильный окислитель. Соединение применяют в технологиях стекловарения, медицине и в органическом синтезе.

Способы извлечения ванадия из его соединений

Ранее мы упоминали о том, что металл является компонентом железной руды. В доменном производстве элемент вместе с примесями углерода и фосфора переходит в чугун. При выплавке стали оксид ванадия 5 осаждается в составе шлака, где его содержание может достигать 16 %.

Добавляя к нему поваренную соль и проводя обжиг смеси в печах, получают продукт, который в дальнейшем растворяют в воде. Полученный водный концентрат обрабатывают сульфатной кислотой и выделяют из него V2O5.

Чтобы выделить из оксида чистый ванадий, можно воспользоваться методом кальциетермии — восстановлением металлов с помощью металлического кальция. Для снижения технологических затрат в реакции с пятиокисью ванадия вместо кальция часто используют алюминий.

Металл можно получить и восстановлением оксида трехвалентного ванадия углем.

Биологическая роль

Ванадий присутствует в живых организмах как микроэлемент, входящий в состав межклеточной жидкости морских иглокожих. У голотурий и морских ежей он связан с белками, которые выполняют функцию транспортировки к клеткам кислорода и удаления углекислого газа.

Незначительно содержание элемента в организмах теплокровных животных и человека, где он находится в составе ферментов поджелудочной железы, в нейроглии и нефронах. В растениях микроэлемент участвует в качестве фермента темновой фазы фотосинтеза и влияет на уровень пигмента хлорофилла, находящегося в хлоропластах.

Он также обнаруживается в клубеньковых бактериях, являющихся азотофиксаторами, в тканях высших грибов. В составе чернозема, наряду с соединениями бора, меди, цинка и марганца, оксид ванадия влияет на плодородие почвы.

В нашей статье мы изучили основные свойства ванадия и его оксидов, а также рассмотрели применение его соединений в промышленности.

№23 Ванадий

В 1801г Дель-Рио в г. Мехико обнаружил признаки существования нового элемента в свинцовой руде. За яркую окраску соединений элемент был назван панхромием, а затем эритронием (от греч. «панхрома» — окрашенный различно и «эритрос» — красный).

Позже Дель-Рио прищел к выводу, что элемент, с которым он работал, был плохо очищенным хромом. В 1830г О. Сефстрем второй раз открыл ванадий в пробе чугуна, полученного из шведской руды, и назвал новый элемент в честь богини Ванадис (из скандинавской мифологии). Ф.Вёлер в 1831г.

доказал, что эритроний Дель-Рио и ванадий Сефстрема — одно и тоже вещество.

Нахождение в природе, получение:

Соединения ванадия нередко встречаются, хотя и в ничтожно малых количествах, в железных рудах и некоторых глинах; при обработке ванадистых руд железа ванадия в земной коре 1,6·10-2% по массе, в воде океанов 3.10-7%. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие.

Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.
Ванадий получают из ванадомагнетитов,титаномагнетитов, карнотитовых руд (содержащих 1% ванадия) и др. Железосодержащие шлаки переводят в ванадаты прокаливанием с хлоридом натрия; раствор разлагают кислотами и выделяют пентаоксид ванадия V2O5.

Из пентаоксида ванадий можно получить восстановлением металлическим кальцием, углем или водородом.
Иодидный метод получения чистого ванадия основан на разложении иодида ванадия(II) при 900°C: VI2 = V + I2
В технике обычно используют сплавы ванадия с железом, т.е.

феррованадий, получаемый алюмотермическим путем из смеси окислов ванадия (или ванадата кальция) с окислами железа.

Физические свойства:

Светло-серый, тугоплавкий металл, по внешнему виду похожий на сталь, проявляющий значительную пластичность и кристаллизующийся в объемно-центрированной кубической решетке. Примеси делают его хрупким.
Температура плавления 1920°C, температура кипения около 3400°C, плотность 6,11 г/см3.

Химические свойства:

Ванадий стоек к окислению и с кислородом, галогенами, серой реагирует лишь при нагревании. С водородом дает прочный гидрид черного цвета. С углеродом ванадий взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид VC (tпл = 2800°С), обладающий высокой твёрдостью. В концентрированных кислотах — азотной, плавиковой, серной, хлорной — растворим.

Важнейшие соединения:

Ванадий даёт соединения, отвечающие валентностям 2 (фиолетовая окраска), 3 (зеленая окраска), 4 (синяя окраска) и 5 (желто-оранжевая). Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей.

Оксиды — известны: VO и V2O3 (имеющие основной характер), VO2 (амфотерный, темно-синий ) и V2O3 (кислотный).

Оксид ванадия(V), V2O5 — оранжевый порошок, кислотный оксид, получается окислением ванадия в кислороде при нагревании:2V + 5/2 O2 = V2O5
При растворении оксида ванадия(V) в щелочах при невысоких температурах получаются орто- и пированадаты:
V2O5 + 6NaOH = 2Na3VO4 + 3H2O;     V2O5 + 4NaOH = Na4V2O7 + 2H2O
При нагревании образуются триметаванадаты:V2O5 + 6NaOH = 2Na3V3O9 + 3H2O Состав водных растворов различных ванадатов зависит как от концентрации раствора, так и от рН.

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

…

Применение:

Ванадий в основном используется как легирующая добавка при получении износоустойчивых, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов (прежде всего, специальных сталей), как компонент при получении магнитов. Чистый металлический ванадий используют в атомной энергетике (оболочки для тепловыделяющих элементов, трубы) и в производстве электронных приборов.

Оксид ванадия V2O5 служит эффективным катализатором, например, при окислении сернистого газа SO2 в оксид серы(VI) SO3 при производстве серной кислоты. Соединения ванадия находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности (текстильной, стекольной, лакокрасочной и др.).

Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2-4 мг.

Для V2O5 ПДК в воздухе 0,1-0,5 мг/м3.

Мислер М.И.
ХФ ТюмГУ, 561/1 группа

Источники:1. Химия, пособие-репетитор под ред. проф. В. Н. Чернышова и доц.А.С. Егорова.

2. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00011/87200.htm
3. http://webelements.narod.ru/elements/V.htm

4. Общая и неорганическая химия, Л.А. Николаев