Ванадий


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:

VIII -> VIV,

VIII <- VIV.

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


Интересные факты


Содержание ванадия во время от времени падающих на поверхность земли метеоритах до трех раз больше, чем в земной коре нашей планеты. Исходя их того, что в спектре Солнца присутствует достаточно много линий, которые присущи атомам ванадия, содержание химического элемента в солнечной материи также намного больше, чем в составе нашей планеты.

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 1801  году. 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 битуминозных  песках 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 Pb5(VO4)3Cl, патронит V(S2)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 V2O5  зачастую используется в качестве эффективного катализатора, к примеру, в процессе окисления сернистого газа SO2 и превращения его в серный газ SO3 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. NaVO3), 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, V2O5 или V2O3) или другими методами.

Металлический ванадий, поддающийся ковке, получают также при помощи кальциетермического восстановления чистых V2O3 или V2O5; путем восстановления V2O5 с использованием алюминия; путем вакуумного углетермического восстановления V2O3; путем магниетермического восстановления VCl3 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:

VI2 = V + I2;

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/мм2 (135,25 н/м2), предел прочности металла равен 12 кгс/мм2 (120 нм/м2), относительное удлинение вещества равно 17-ти процентам, твердость металла по Бринеллю составляет 70 кгс/мм2 (700 мн/м2). 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 3,9·1017 лет. При этом конфигурация двух внешних электронных слоев имеет вид 3s2p6d34s2. 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 V5+ — 0,050-0,068 нм, V4+ — 0,067-0,086 нм, V3+ — 0,078 нм, V2+ — 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 V2O5 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 V2O3 (основной характер), VO2 (амфотерный), V2O5 (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 V2O5. Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.

Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX4 (X = F, Cl, Br), VX3, VF5, а также несколько оксогалогенидов (например, VOF3, VOCl2, 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:

V + O2 = VO2.

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

2V + N2 = 2VN.

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 + I2 = VI2,

2V + 3Br2 = 2VBr3.

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

V + C = VC.

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

3V + Si = V3Si,

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[VF6] + 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[VF7] + 5NO + 10H2O,

При этом пассивирующую пленку оксида растворяет плавиковая кислота:

V2O5 + 14HF = 2H2[VF7] + 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.