Ванадий, свойства атома, химические и физические свойства

История открытия

История открытия металла «многосерийная»:

• Первым (1801 год) его обнаружил, исследуя свинцовое сырье, мексиканский минералог Мануэль Дель Рио. Однако европейцы-химики не поверили в открытие. Под их напором Дель Рио и сам начал сомневаться. И озвучил новую версию: это был хромат свинца.
• Через почти 30 лет его «переоткрыл» Нильс Сефстрем. Шведский химик обнаружил новое вещество, исследуя железную руду.
• Одним из «отцов» считается Фридрих Велер. Он изучал то же мексиканское сырье, но из-за болезни прервал работу. Зато позднее поставил точку, доказав, что в составе руды был таки ванадий. Тем самым подтвердил приоритет Дель Рио.

Название тоже подобралось не сразу:

• Первооткрыватель Мануэль Дель Рио, подивившись разнообразию колористики вещества, предложил название «панхромий». Второй вариант – «эритроний».
• Красоту окраски нового элемента оценили и Иенс Берцелиус с Сефстремом. Скандинавы ожидаемо предложили свой вариант – по имени богини скандинавского пантеона Фрейи (аналог греческой Венеры). На древнескандинавском оно звучит как Ванадис.

Отдать должное первооткрывателю Дель Рио попытался геолог Джордж Фезерстонхау.

Он предложил переименовать элемент «рионием», но поддержки не нашел.

Спрос на ванадий

Стоимость ванадия на мировом рынке определяет Китай, лидирующий по производству данного металла. С учетом потребности мирового производства в этом виде металла, его стоимость непрерывно растет.

• Цена за килограмм определяется видом конечной продукции. К самым дорогим позициям относят полосу и проволоку, а замыкает список пятиокись ванадия.
• При сортировке металлического лома в чистом виде ванадий обнаружить невозможно. Но следует знать, что он входит в состав сталей, имеющих в маркировке «Ф».
• Кроме того, ванадий входит в состав различных отходов, деталей и узлов, при производстве которых использованы сплавы и различные соединения на базе металла.

Физико-химические характеристики

Металл равнодушен к воздействию воздуха, воды, щелочных растворов. Такая инертность «роднит» благородные газы (аргон, ксенон, гелий, криптон) с ванадием.

Основные свойства металла:

• Растворяется царской водкой, плавиковой кислотой, горячими концентрированными азотной, серной кислотами.
• Пластичен, порог появления хрупкости – +300°C.
• Хрупким металл делают примеси азота, кислорода, водорода.
• Соединения вещества токсичны.

Известны следующие оксиды ванадия:

Это типичный переходный металл: наделен переменными степенями окисления, образует комплексные соединения. Зарегистрировано 84 соединения ванадия, основные – оксиды, ванадаты, сульфиды.

Оксиды металла разной валентности отличаются по цвету: черный (II III), глубокий голубой (IV), оранжевый (V).

Производство чистого металла

Конечный продукт при производстве ванадия без примесей может иметь вид порошка или слитков (кусков).

Ванадий в виде металлического порошка выпускают методом электролитического рафинирования. Сырьём в этом производстве выступает алюминотермический ванадий. Конечный продукт в зависимости от степени его чистоты разделяют на три марки:

• Вэл-1 (чистотой 99,9%);
• Вэл-2 (99,7%);
• Вэл-3 (99,5%).

Технология изготовления кускового металла требует применения особых электроннолучевых печей. Установка для выплавки слитков снабжена пушками двух типов: термоэлектронными и ВТР-устройствами. Рабочий процесс основан на методе капельной выплавки в кристаллизатор, которых непрерывно охлаждается при помощи воды. Кристаллизатор размещен вертикально, а для его изготовления применяется медь.

Технические требования к кускам чистого ванадия регламентированы ТУ 48-4-272-73. Слитки должны иметь форму цилиндров, их масса ограничена пределами от 8 до 80 кг. Длина колеблется от 20 до 80 см, а диаметр может быть 80, 100, 120 и 150 мм.

в зависимости от наличия сторонних примесей различают три марки кускового ванадия:

• ВнМ-0 (максимальная чистота 99,99%);
• ВнМ-1 (99,9%);
• ВнМ-2 (99,5%).

Нахождение в природе

Металл не относится к редким элементам: на планете он 20-й по распространенности.

Каждая тонна земной коры содержит в среднем 260 г ванадия.

Это рассеянный элемент, в свободном виде в природе не представленный:

• Главный источник ванадия как металла – магматические породы (базальты, габбро), бокситы, железные руды.
• Его соединения зафиксированы в океанской воде. Из нее металл извлекают, например, японцы.
• Самый экзотичный источник металла – асцидии. Эти морские обитатели высасывают металл прямо из воды.

РЭМ изображение кристаллов ванадия, полученных методом электролиза
Их выращивание поставлено на поток в той же Японии. Плантации разбивают на побережье, собранный «урожай» сушат, сжигают.

Зола асцидий богаче ванадием, чем большинство земных месторождений.

Добыча: из руды, асцидий и мухоморов ⛏️

Основными месторождениями владеют:

• Китай;
• ЮАР;
• США;
• Россия;
• Армения.

Лидером в производстве ванадия является Китай, он и диктует цены на металл.

Интересно: японцы ярко продемонстрировали русскую пословицу «голь на выдумки хитра». Изобретательные жители Страны восходящего солнца на специальных морских плантациях разводят асцидий (морские хордовые). Эти животные содержат ванадия больше, чем многие его руды. А несчастных асцидий сжигают и из пепла извлекают лакомый металл.

Некоторые мухоморы тоже очень богаты ванадием. Так что и в наших лесах можно открывать добычу ценного элемента.

Рекомендуем: ЦЕЗИЙ — металл со взрывным характером

Технология получения

Основной поставщик вещества – железные руды с примесью ванадия.

Металлический продукт получают несколькими способами:

• Термовосстановление оксида из карбонатов, соединений кальция, магния.
• Термическое разложение иодида ванадия.

Высокой чистоты (95-99%) продукта добиваются рафинированием. Для этого задействуется электролиз расплава галогенидов вещества и вакуумная плавка.

Бруски ванадия 99,95 % чистоты, полученные переплавкой в электронном пучке. Поверхность брусков протравлена для проявления структуры

Российскими учеными созданы наногабаритные модификации оксида ванадия.

Наш пострел везде поспел ⚙️

Применение ванадия и его соединений ограничивается довольно высокой ценой. Но во многих случаях эти вещества просто необходимы.

Почти весь ванадий (по разным данным от 87% до 90%) использует черная и цветная металлургия.

По статистике ванадий лидер среди легирующих металлов. Используется для придания сплавам требуемых свойств.

РЭМ изображение кристаллов ванадия, полученных методом электролиза

Ванадиевая лигатура придает сплавам износоустойчивость, хорошо повышает вязкость и прочность сплавов.

Все свойства ценного металла еще не исследованы; металлурги и ученые находят все больше привлекательных характеристик металла Ванадис.

Интересно: «Если бы не было ванадия — не было бы автомобиля». Г. Форд, «папа» автомобильной промышленности США. Кстати, человек умнейший и нестандартного мышления. Это он изрек гениальную фразу «»Помни, что Бог создал человека без запасных частей».

Оставшиеся проценты используют:

• автомобильная промышленность;
• электроника;
• производители серной кислоты (в качестве катализатора вместо очень дорогой платины);
• в литиевых аккумуляторах и батареях;
• при крекинге нефти;
• производство красок и керамики.

Соединения ванадия использует атомно-водородная энергетика.

Бруски ванадия 99,95 % чистоты, полученные переплавкой в электронном пучке. Поверхность брусков протравлена для проявления структуры

Многоцветьем соединений ванадия пользуются в производстве тканей для их окраски.

Война требует порох, а для его производства нужна серная кислота.

Области применения

Свойства ванадия обусловили его востребованность гражданским и военным промышленным комплексом.

Металлургия

90% сырья забирает металлургия. Здесь главный способ применения ванадия – как добавки-лигатуры к сталям:

• Благодаря ему стали, титановые сплавы делаются прочнее, вязче, эластичнее, устойчивее к износу, коррозии, жару.

Достоинства сталей с ванадием оценил «отец» американского автопрома Генри Форд в начале XX века.

• Продукция представлена прокатом (прутки, проволока, лист, трубка), слитками, порошком.

Российская номенклатура сталей предусматривает маркировку ванадия в их составе буквой Ф.

• Есть варианты с покрытием для регионов с экстремальным климатом.

Самые востребованные соединения металла – сплавы с титаном и хромом. Из последнего выполняют ручной инструмент (например, гаечные ключи, ножи).

Хром в сплавах понижает токсичность ванадия.

Другие отрасли промышленности

Металл, сплавы используются в широком ассортименте операций и изделий:

• двигатели самолетов, ракет, другой космической техники;
• постоянные магниты;
• литиевые батареи, аккумуляторы;
• крекинг нефти.

Также применяется атомно-водородной энергетикой (ядерные реакторы), как химический источник тока.

Это стойкий пигмент для лаков, красок, керамики, текстиля, стекла.

Одной массовой части пятиокиси ванадия достаточно для яркой окраски 200 тысяч частей бесцветной анилиновой соли.

ВПК

Соединения металла – катализатор при производстве серной кислоты.

Она – исходник для создания нитроклетчатки. А нитроклетчатка – основной компонент пороха.

В «пороховом» сегменте ванадий вытеснил элитную платину.

Соединения ванадия

Пятиокись ванадия, используемая для изготовления Li-ion аккумуляторов

Электронная формула ванадия обуславливает степень его окисления, которая колеблется в пределах от +2 до +5. Самым ценным из окислов металла является пятиокись ванадия, которая востребована при изготовлении литиевых аккумуляторов. В виде порошка ярко-оранжевого цвета соединение выполняет роль анода.

Другие соединения ванадия применяются в виде:

• сульфидов;
• фторидов;
• хлоридов.

В промышленном производстве востребованы окислы ванадия.

Общие сведения:

Характерная валентность и степень окисления

Благодаря наличию трех неспаренных электронов на 3d подуровне ванадий может проявлять степень окисления +3. Однако она не единственная. Всего выделяют четыре возможные значения:

• +2;
• +3;
• +4;
• +5.

При этом ванадий — химический элемент, валентность которого также имеет два показателя: IV и V. Именно поэтому соединений у данного атома просто множество, и все они имеют красивую цветную окраску. Особенно этим славятся водные комплексы и соли металла.

Особенности строения атома

Ванадий — химический элемент, строение атома которого выражается общей электронной формулой 3d34s2. Очевидно, что благодаря такой конфигурации и валентности, и степени окисления могут проявлять неодинаковые значения.

Данная формула позволяет предсказать свойства ванадия как простого вещества — это типичный металл, образующий большое количество различных соединений, в том числе комплексных.

Признаки дефицита

Говорить со 100-процентной уверенностью, что дефицит ванадия опасен для человеческого организма, пока рано. Тем не менее есть мнение, что нехватка этого микровещества провоцирует:

• осложнения у диабетиков;
• гипогликемию (резкое снижение глюкозы в крови);
• развитие онкологических заболеваний;
• склонность к сердечно-сосудистым болезням;
• повышение холестерина.

Лучшие материалы месяца

• Коронавирусы: SARS-CoV-2 (COVID-19)
• Антибиотики для профилактики и лечения COVID-19: на сколько эффективны
• Самые распространенные «офисные» болезни
• Убивает ли водка коронавирус
• Как остаться живым на наших дорогах?

Но важно отметить, что лабораторные опыты с исключением ванадия из рациона ученые проводили только на животных. У них дефицит вещества приводил к ухудшению состояния костной ткани, хрящей, мышц, снижению способности к размножению. Опыт, проведенный на козах, показал: нехватка ванадиума провоцирует выкидыши, мертворождаемость, неправильное развитие плода. Был проведен эксперимент и над крысами: после введения в рацион животных ванадия у них улучшилась работоспособность щитовидной железы.

Признаки ванадий-дефицита у людей – только теория. Кроме того, если придерживаться рационального питания, получить нехватку микроэлемента практически невозможно. Исключение – нарушение функции пищеварения и проблемы с всасыванием полезных веществ.