Ванадий имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282А. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см3; t пл 1900°С, t кип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м 2 (13520 кгс/мм 2), предел прочности 120 мн/м 2 (12 кгс/мм 2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м 2 (70 кгс/мм 2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.

1. Химические свойства Ванадия

На воздухе Ванадий не изменяется, устойчив он к во­де, к растворам минеральных солей и щелочей. Кислоты на него действуют только такие, которые одновременно являются окислителями. На холоде на него не действу­ют разбавленные азотная и серная кислоты. По-видимо­му, на поверхности металла образуется тончайшая плен­ка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Для того что­бы заставить Ванадий интенсивно реа­гировать, его нужно нагреть. При 600-700°С происхо­дит интенсивное окисление компактного металла, а в мелкораздробленном состоянии он вступает в реакции при более низкой температуре .

Прямым взаимодействием элементов при нагрева­нии могут быть получены сульфиды, карбиды, нитриды, арсениды, силициды. Для техники важны желто-бронзо­вый нитрид VN (t пл = 2050°С), устойчивый к воде и кислотам, а также обладающий высокой твердостью карбид VC (t пл = 2800 °С).

Ванадий очень чувствителен к примесям газов (O 2 , N 2 , H 2), которые резко меняют его свойства, даже если присутствуют в самых незначительных количествам. Поэтому и сейчас можно в разных справочниках встре­тить различную температуру плавления Ванадия. За­грязненный Ванадий, в зависимости от чистоты и спосо­ба получения металла, может плавиться в интервале от 1700 до 1900°С. При чистоте 99,8 - 99,9 % его плот­ность равна 6,11 г/см3 при 20°С, температура плавле­ния составляет 1919°С, а температура кипения 3400 °С.

Металл исключительно стоек как в органических, так и в большинстве неорганических агрессивных средах. По стойкости к действию НС1, НВr и холодной серной кислоты он значительно превосходит титан и нержавею­щую сталь. С галогенами, за исключением самого агрес­сивного из них - фтора, соединений не образует. С фто­ром же дает кристаллы VF 5 , бесцветные, возгоняющиеся без превращения в жидкость при 111°С. Атмосфера из углекислого газа на металлический Ванадий действует значительно слабее, чем на его аналоги - ниобий и тан­тал. Он обладает высокой стойкостью к расплавленным металлам, поэтому может применяться в конструкциях атомных реакторов, где расплавленные металлы исполь­зуются как теплоносители. Ванадий не ржавеет ни в пресной, ни в морской воде, ни в растворах щелочей .

Из кислот на него действуют концентрированная сер­ная и азотная кислоты, плавиковая и их смеси.

Особенностью Ванадия считается высокая раствори­мость в нем водорода. В результате такого взаимодейст­вия образуются твердые растворы и гидриды. Наиболее вероятная форма существования гидридов - металлооб­разные соединения с электронной проводимостью. Они способны довольно легко переходить в состояние сверх­проводимости. Гидриды Ванадия могут с некоторыми твердыми или жидкими металлами образовывать рас­творы, в которых повышается растворимость водорода.

Самостоятельный интерес представляют карбиды Ва­надия, так как по своим качествам дают для современной техники материал с весьма ценными свойствами. Они ис­ключительно тверды, тугоплавки и обладают хорошей электрической проводимостью. Ванадий способен для образования своих карбидов даже вытеснить другие ме­таллы из их карбидов:

3V + Fе3С = V 3 С + 3Fе

Известен целый ряд соединений ванадия с углеродом :

V 3 С; V 2 C; VC; V 3 С 2 ; V 4 С 3

С большинством членов главной подгруппы Ванадий дает соединения как бинарные (т.е. состоящие только из двух элементов.), так и более сложного состава. Нит­риды образуются при взаимодействии порошка металла или его оксидов с газообразным аммиаком:

6V + 2NН 3 = 2V 3 N + 3Н 2

V 2 О 2 + 2NH 3 = 2VN + 2H 2 О + H 2

Для, полупроводниковой техники интерес представляют фосфиды V 3 Р, V 2 P, VP, VP 2 и арсениды V 3 As, VAs.

Комплексообразующие свойства Ванадия проявляются в об­разовании соединений сложного состава типа фосфорно-ванадиевой кислоты H 7 PV 12 O 36 или Н 7 [Р(V 2 O 6) 6 ].

Ванадий представляет собой химический элемент, обозначаемый символом «V». Атомная масса ванадия 50,9415 а. е. м., атомный номер - 23. Это твердый серебристо-серый, ковкий и плавкий металл, редко встречающийся в природе. Входит в состав более чем 60 минералов и даже может содержаться в ископаемом топливе.

Непризнанное открытие

Металл ванадий впервые был обнаружен мексиканским минерологом испанского происхождения Андресом Мануэлем Дель Рио в 1801 году. Исследователь извлек новый элемент из образца добытой в Мексике «коричневой» свинцовой руды. Как оказалось, соли металла обладают большим разнообразием цветов, поэтому Дель Рио первоначально назвал его «panchromium» (от греческого "παγχρώμιο" - «разноцветный»).

Позже минеролог переименовал элемент в erythronium (от греческого "ερυθρός" - «красный»), потому что большая часть солей приобретала красной оттенок при нагревании. Казалось бы, невероятная удача улыбнулась малоизвестному в Европе ученому. Открытие нового химического элемента ванадия сулило если не славу, то, как минимум, признание коллег. Однако из-за отсутствия весомого авторитета в научном мире достижение мексиканца проигнорировали.

В 1805 году французский химик Ипполит Виктор Колле-Декотильс предположил, что новый элемент, исследованный Дель Рио, был всего лишь образцом хромата свинца с примесями. В конечном итоге мексиканский исследователь, чтобы окончательно не потерять лицо перед ученой братией, принял утверждение Колле-Декотиля и отказался от своего открытия. Впрочем, его достижение не кануло в небытие. Сегодня Андрес Мануэль Дель Рио признан как первооткрыватель редкого металла.

Повторное открытие

В 1831 году швед Нильс Габриэль Сефстрём вновь обнаружил химический элемент ванадий в оксиде, полученном им при работе с железной рудой. В качестве его обозначения ученый выбрал литеру «V», которая еще не была присвоена ни одному элементу. Сефстрём назвал новый металл из-за его красивой и богатой окраски в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.

Новость вызвала повышенный интерес в научном сообществе. Сразу вспомнили о работах мексиканского минеролога. В том же 1831 году Фридрих Вёлер перепроверил и подтвердил предыдущее открытие Дель Рио. А геолог Джордж Уильям Фезерстонхауп даже предложил назвать металл «рионием» в честь первооткрывателя, но инициатива поддержана не была.

Неуловимый

Выделение металла ванадия в чистом виде оказалось затруднительным. До этого ученые работали лишь с его солями. Именно поэтому истинные свойства ванадия били неизвестны. В 1831 году Берцелиус сообщил о получении металлизированного вещества, но Генри Энфилд Роско доказал, что Берцелиус фактически произвел нитрид ванадия (VN). В конечном итоге Роско произвел металл в 1867 году путем восстановления хлорида ванадия (VCl 2) под действием водорода. С 1927 года чистый ванадий получают путём восстановления пентаоксида ванадия с участием кальция.

Первое серийное промышленное использование элемента относится к 1905 году. Металл добавляли в стальной сплав для изготовления шасси гоночных автомобилей, а позже - в Ford Model T. Характеристики ванадия позволяют снизить вес конструкции, одновременно увеличивая прочность на растяжение. Кстати, немецкий химик Мартин Хенце обнаружил ванадий в клетках крови (или целомических клетках) морских обитателей - акцидий - в 1911 году.

Физические свойства

Ванадий представляет собой ковкий серо-синий металл средней твёрдости со стальным блеском и плотностью 6,11 г/см³. Некоторые источники описывают материал как мягкий, имея ввиду его высокую пластичность. Кристаллическая структура элемента сложнее большинства металлов и сталей.

Ванадий обладает хорошей устойчивостью к коррозии, щелочам, серной и соляной кислотам. Он окисляется на воздухе при температуре около 660°С (933К, 1220°F), хотя пассивация оксида происходит даже при комнатной температуре. Плавится данный материал при достижении температуры 1920°С, а при 3400°С - закипает.

Химические свойства

Ванадий под воздействием кислорода образует четыре типа оксидов:

Соединения ванадия типа (II) являются восстановителями, а соединения типа (V) - окислителями. Соединения (IV) часто существуют как производные катиона ванадила.

Оксид

Наиболее коммерчески важным соединением является пятиокись ванадия. Это коричнево-жёлтое твёрдое вещество, хотя при свежевыпакованном осаждении из водного раствора его цвет является тёмно-оранжевым.

Оксид используется в качестве катализатора для получения серной кислоты. Это соединение окисляет диоксид серы (SO 2) в триоксид (SO 3). В этой окислительно-восстановительной реакции сера окисляется от +4 до +6, а ванадий снижается с +5 до +4. Формула ванадия выглядит следующим образом:

V 2 O 5 + SO 2 → 2VO 2 + SO 3

Катализатор регенерируется окислением кислорода:

2VO 2 + O 2 → V 2 O 5

Аналогичные процессы окисления используются в производстве малеинового ангидрида, фталевого ангидрида и нескольких других объемных органических соединений.

Этот оксид также применяют при получении феррованадия. Его нагревают с железом и ферросилицием с добавлением извести. При использовании алюминия получают железо-ванадиевый сплав вместе с оксидом алюминия в качестве побочного продукта. Из-за высокого коэффициента теплового сопротивления оксид ванадия (V) находит применение в качестве материала-детектора в болометрах и микроболометрических массивах в тепловизионных приборах.

Характеристики

Редкий металл имеет следующие характеристики:

• Кристаллическая структура: кубическая объёмно-центрированная.
• Звукопроводность: 4560 м/с (при 20°C).
• Валентность ванадия: V (реже IV, III, II).
• Тепловое расширение: 8,4 мкм/(м·К) (при 25°С).
• Теплопроводность: 30,7 Вт/(м·К).
• Электрическое сопротивление: 197 nΩ·м (при 20°C).
• Магнетизм: парамагнитный.
• Магнитная восприимчивость: +255·10 -6 см 3 /моль (298K).
• Модуль упругости: 128 ГПа.
• Модуль сдвига: 47 ГПа.
• Объёмный модуль упругости: 160 ГПа.
• Коэффициент Пуассона: 0,37.
• Твёрдость по шкале Мооса: 6,7.
• Твердость по Виккерсу: 628-640 МПа.
• Твердость по Бринеллю: 600-742 Мпа.
• Категория элемента: переходный металл.
• Электронная конфигурация: 3d 3 4s 2 .
• Теплота плавления: 21,5 кДж/моль.
• Теплота испарения: 444 кДж/моль.
• Молярная теплоёмкость: 24,89 Дж/(моль·К).

Ванадий в таблице Менделеева находится в 5-й группе (подгруппа ванадия), 4-м периоде, d-блоке.

Распространение

Ванадий в масштабах Вселенной составляет примерно 0,0001% от общего объёма вещества. Он распространён так же часто, как медь и цинк. Метал обнаружен в спектральном свечении Солнца и других звёзд.

Элемент является 20-м по распространённости в земной коре. Металл ванадий в кристаллической форме достаточно редок, но соединения этого материала встречаются в 65 различных минералах. Экономически значимыми из них являются патронит (VS 4), ванадинит (Pb 5 (VO 4) 3 Cl) и карнотит (K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 · 3 H 2 O).

Ионы ванадила в изобилии распространены в морской воде и имеют среднюю концентрацию 30 нМа. Некоторые источники минеральной воды также содержат данные ионы в высоких концентрациях. Например, источники возле горы Фудзи содержат до 54 мкг/л.

Добыча

Большую часть этого редкого металла получают из ванадиевого магнетита, обнаруженного в ультраосновных магматических габбровых породах. Сырьё добывается главным образом в Южной Африке, северо-западном Китае и на востоке России. В 2013 году эти страны произвели более 97 % всего ванадия (79 000 тонн в весовом выражении).

Металл также присутствует в бокситах и месторождениях сырой нефти, угля, горючих сланцев и битуминозных песков. В сырой нефти сообщалось о концентрациях до 1200 промилле. Из-за окислительных свойств ванадия (некоторых его оксидов) после сжигания таких нефтепродуктов остатки элемента могут вызвать коррозию в двигателях и котлах.

По оценкам, 110 000 тонн вещества ежегодно попадает в атмосферу путем сжигания ископаемого топлива. Сегодня разрабатываются технологии по извлечению ценного вещества из углеводородов.

Производство

В основном ванадий используется в качестве добавок к стальным сплавам, называемым ферросплавами. Феррованадий получают непосредственно путем восстановления смеси из оксида ванадия с валентностью (V), оксидов железа и чистого железа в электрической печи.

Металл получают с использованием многоступенчатого процесса, который начинается с обжига измельченной ванадий-магнетитовой руды с добавлением хлорида натрия (NaCl) или карбоната натрия (Na 2 CO 3) при температуре около 850°С с получением метаванадата натрия (NaVO 3). Водный экстракт этого вещества подкисляют, получая поливанадатную соль, которая восстанавливается кальциевым металлом. В качестве альтернативы мелкосерийному производству пятиокись ванадия восстанавливается водородом или магнием.

Также используются многие другие методы, во всех из которых ванадий производится как побочный продукт других процессов. Его очистка возможна иодидным методом, разработанным Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Бором в 1925 году. Он подразумевает образование иодида ванадия (III) и его последующее разложение с получением чистого металла:

2 V + 3I 2 ⇌ 2 VI 3

Достаточно экзотический способ получения этого элемента придумали японцы. Они разводят на подводных плантациях асцидии (тип хордовые), которые поглощают ванадий из морской воды. Затем их собирают и сжигают. Из образовавшегося пепла извлекают ценный метал. Кстати, его концентрация в этом случае гораздо выше, чем на самых богатых месторождениях.

Сплавы

Что собой представляют сплавы ванадия? Приблизительно 85 % производимого редкого металла используют для получения феррованадия или в качестве добавки к стали. В начале XX века было обнаружено, что даже небольшое количество ванадия значительно увеличивает прочность стали. Данный элемент образует стабильные нитриды и карбиды, что приводит к улучшению характеристик сталей и сплавов.

С этого времени отмечено применение ванадия в осях, рамах, коленчатых валах, шестернях и других важных компонентах колесного транспорта. Существуют две группы сплавов:

• Высокоуглеродистые с содержанием от 0,15 % до 0,25 % ванадия.
• Быстрорежущие инструментальные стали (HSS) с содержанием от 1% до 5% данного элемента.

Для сталей марки HSS может быть достигнута твердость выше HRC 60. Они используются в хирургических инструментах. В порошковой металлургии сплавы могут содержать до 18 % ванадия. Высокое содержание карбидов в этих сплавах значительно повышает износостойкость. Из них изготавливают инструменты и ножи.

Благодаря своим свойствам, ванадий стабилизирует бета-форму титана, повышает его прочность и температурную стабильность. Смешанный с алюминием в титановых сплавах, он используется в реактивных двигателях, высокоскоростных летательных аппаратах и зубных имплантатах. Наиболее распространенным сплавом для бесшовных труб является титан 3/2,5, содержащий 2,5 % ванадия. Данные материалы широко распространены в аэрокосмической, оборонной и велосипедной промышленности. Другим распространенным сплавом, выпускаемым главным образом в листах, является титан 6AL-4V, где 6 % алюминия и 4% ванадия.

Несколько ванадиевых сплавов демонстрируют сверхпроводящие свойства. Первый фазовый сверхпроводник А15 представлял собой соединение ванадия V 3 Si, которое было получено в 1952 году. Ванадиево-галлиевая лента используется в сверхпроводящих магнитах. Структура сверхпроводящей фазы A15 V 3 Ga аналогична структуре более распространенных сверхпроводников: станнида триниобия (Nb 3 Sn) и ниобий-титана (Nb 3 Ti).

Недавно учёные выяснили, что в Средние века в некоторые образцы дамасской и булатной стали добавляли небольшое количество ванадия (от 40 до 270 частей на миллион). Это улучшало свойства клинков. Однако неясно, где и как добывали редкий металл. Возможно, он входил в состав некоторых руд.

Применение

Помимо металлургии, ванадий используется и для других задач. Сечение теплового нейтронного захвата и короткий период полураспада изотопов, образующихся при захвате нейтронов, делают данный металл подходящим материалом для использования внутри термоядерного реактора.

Наиболее распространенный оксид ванадия - пентаоксид V 2 O 5 - используется в качестве катализатора при производстве серной кислоты и в качестве окислителя в производстве малеинового ангидрида. Пеноксид ванадия используется при изготовлении керамических изделий.

Металл является важным компонентом смешанных металлоксидных катализаторов, используемых при окислении пропана и пропилена в акролеин, акриловую кислоту или аммоксидирование пропилена до акрилонитрила. Другой оксид ванадия - двуокись VO 2 - используется при производстве стеклянных покрытий, которые блокируют инфракрасное излучение при определенной температуре.

Ванадиевая редокс-батарея представляет собой гальванический элемент, состоящий из водных ионов ванадия в различных состояниях окисления. Батареи такого типа были впервые предложены в 1930 годах, а коммерческое использование началось с 1980-х. Ванадат можно использовать для защиты стали от коррозии.

Ванадий имеет важное значение для здоровья человека. Он помогает регулировать углеродный и липидный обмен, участвует в выработке энергии. В сутки рекомендовано потреблять 6-63 мкг (данные ВОЗ) вещества, поступающего с пищевыми продуктами. Его вполне достаточно в крупах, бобовых, овощах, зелени, фруктах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ванадий - двадцать третий элемент Периодической таблицы. Обозначение - V от латинского «vanadium». Расположен в четвертом периоде, VB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 23.

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).

Чистый ванадий - серебристый металл (рис. 1) ковкий металл, плотностью 5,96 г/см 3 , плавящийся при температуре 1900 o С. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.

Рис. 1. Ванадий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ванадия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул V, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 50,9962.

Изотопы ванадия

Известно, что в природе ванадий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 51 V. Массовое число равно 51, ядро атома содержит двадцать три протона и двадцать восемь нейтронов.

Существуют искусственные изотопы ванадия с массовыми числами от 40-ка до 65-ти, среди которых наиболее стабильным является 50 V с периодом полураспада равным 1,5×10 17 лет, а также пять ядерных изотопов.

Ионы ванадия

На внешнем энергетическом уровне атома ванадия имеется пять электронов, которые являются валентными:

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

В результате химического взаимодействия ванадий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

V o -2e → V 2+ ;

V o -3e → V 3+ ;

V o -4e → V 4+ ;

V o -5e → V 5+ .

Молекула и атом ванадия

В свободном состоянии ванадий существует в виде одноатомных молекул V. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ванадия:

Сплавы ванадия

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0,1 - 0,3% ванадия отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что особенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Открытие данного химического элемента произошло дважды. Первый раз в начале 19 столетия профессор минералогии Дель Рио выявил данный минерал в свинцовых рудах горных пород. К такому открытию европейские химики отнеслись скептически.

В 30-х годах 19 столетия химик Сефстрем из Швеции в составе железной руды выявил примесь неопределенного металла, с разноцветными соединениями. Благодаря такому красивому внешнему виду ученные именовали его Ванадий, что в переводе с древнескандинавского языка означает богиня красоты.

Ванадий: характеристика микроэлемента

Ванадий в периодической системе Менделеева находится побочной подгруппе пятой группы четвертого периода. Имеет номер атома 23, а также характеризуется серебристо-стальным цветом и отличной ковкостью.

Природные места локализации микроэлемента

Ванадий относится к группе химических элементов, которые практически в самостоятельном виде минералов либо сосредоточенных залежей в природе не встретить. Их местом локализации являются различные минералы. Среди которых стоит выделить осадочные и магнетические породы, сланцы и железную руду. К основным месторождениям относятся Австралия, Турция, ЮАР и некоторые территориальные участки в России.

Организм человека накапливает ванадий в следующих местах:

• Жировая ткань.
• Костная ткань.
• Подкожные иммунные клетки.

Основные свойства ванадия

По визуальным признакам аналогичен стали. Это металл с высокой пластичностью. Его температура плавления составляет свыше 1900 градусов. Ванадий не подвергается воздействия кислорода, соленой воды и щелочи при условии соблюдения нормального температурного режима.

Сколько требуется ванадия человеку в сутки?

Средний показатель дневной нормы данного микроэлемента для здорового человека составляет не более 2 мг. Характерной особенностью усваиваемости данного микроэлемента в организме является всасывание только 1% от количества употребляемого ванадия. Его остальная часть выводиться из организма естественным путем. Превышение допустимой нормы приводит к сильной интоксикации организма, это, безусловно, негативное свойство ванадия.

В каких продуктах содержится ванадий

Прием фармацевтических препаратов с содержанием ванадия назначается очень редко. Обогащение организма данным микроэлементом проводится за счет систематического употребления следующих продуктов:

• Злаковые культуры.
• Рисовая и гречневая крупа.
• Бобы.
• Овощи.
• Фрукты.
• Ягоды.

Положительное воздействие ванадия на организм

Ванадий является незаменимым микроэлементом, который необходим для регулировки обмена жиров и углеводов. Помимо этого, он активизирует выработку энергии. Снижение уровня холестерина напрямую связано с концентрацией ванадия в организме. Также он стимулирует движение кровяных клеток, что способствует более быстрому поглощению болезнетворных микроорганизмов.

Сочетания ванадия с другими веществами

Понизить токсичное влияние ванадия на организм можно путем параллельного употребление хрома и большого количества белковосодержащих продуктов. Негативное воздействие на организм оказывают аскорбиновая кислота, соединения железа либо алюминия.

Дефицит ванадия

В медицинской практике существует единичный случай дефицита ванадия в организме, который проявляется в виде дефицитной шизофрении. Нехватка ванадия в организме повышает вероятность развития сахарного диабета, атеросклероза в результате заниженного уровня холестерина и повышенного уровня триглицеридов, и фосфолипидов.

Основные признаки избыточного количества ванадия в организме

Перенасыщение организма ванадием встречается достаточно часто. С целью контроля поступаемого количества данного вещества в организм, следует внимательно относится к своему рациону и следить за малейшими физиологическими отклонениями в организме.

К основным признакам переизбытка ванадием относятся:

• Аллергическая реакция.
• Малокровие.
• Рассеянный склероз.
• Развитие воспаления на слизистых и кожных покровах.
• Поражение верхних органов дыхания.
• Наличие новообразований.
• Развитие депрессивного невроза.
• Биполярное аффективное расстройство.

Ванадий в жизни человека

Металлургическая промышленность является главным потребителем ванадия в своей деятельности. С его помощью изготавливают нержавеющие сплавы, которые используют для изготовления быстрорежущих инструментов из стали. Они характеризуются высокой прочностью и износоустойчивостью.

Помимо этого, ванадий является неотъемлемым компонентом атомно-водородной энергетики, он применяется при изготовлении синтетической серной кислоты. Также ванадий используется в качестве источника химического тока.

Ванадий - химический элемент периодической системы Менделеева, которому присвоен 23 атомный номер. Данный элемент является редким представителем черных металлов. Его открытие в истории произошло дважды. Первооткрывателем был А.М. Дель Рио из Мексики, обнаруживший металл в составе руд бурого цвета, которые приобретали красноватый окрас при воздействии на них температурами. Однако, официальным открывателем ванадия считается шведский химик Н.Г. Сефстрем. Он обнаружил данный металл в ходе исследования местной железной руды, в результате чего получил вещество и назвал его Ванадий, отождествляя с древнегреческой богиней красоты Ванадис.

Свойства ванадия

Ванадий в чистом виде имеет светло-серый окрас. Его вес в полтора раза меньше веса железа. В условиях комнатных температур при относительно низкой влажности ванадий пассивен химически, однако при воздействии на него более высокими температурами легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами. Ванадий обладает высокой пластичностью и плотностью, составляющей 6,11 г/см 3 . Однако, стоит отметить, что его пластичность значительно снижается при наличии примесей кислорода, водорода и азота, что делает металл более твердым и хрупким. Также приобретает повышенную хрупкость под воздействием температуры, превышающей 300 0 С. Имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку А=3,024А, z=2 и пространственную группу Im3m. Легко плавится при температуре 1920 0 С и закипает при 3400 0 С.

Химический ванадий имеет устойчивость к воздействию на него морской воды, а также разбавленными растворами различных кислот (соляной, азотной, серной) и щелочей.

Результатом взаимодействия ванадия с кислородом является образования нескольких оксидов: VO, V 2 O 3 , VO 2 ,V 2 O 5 . Взаимодействие последнего оксида и основных оксидов приводит образованию солей ванадиевой кислоты вероятного состава HVO 3 .

Ванадий благодаря своим характеристикам нашел широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, основной сферой его использования является металлургическая промышленость. Именно ванадий выступает главным компонентом при изготовлении марочных чугунов и сталей. Кроме этого, ванадий является неотъемлемым компонентом химической промышленности, сельскохозяйственной деятельности, а также текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности. Также используется в аэрокосмической промышленности как легирующий компонент для титановых сплавов с целью улучшения их характеристик.

При работе с ванадием необходимо быть очень внимательным и предельно остнорожным. Это связано с тем, что соединения ванадия отличаются своими ядовитыми свойствами, способными вызвать острое отравление организма просто при вдыхании пыли, в которой содержатся частички ванадия. Как результат могут возникнуть кровотечение, головокружение, нарушение сердечного ритма и работы почек.

Таблица 1. Свойства ванадия

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Вана́дий / Vanadium (V), 23
Атомная масса (молярная масса)	50,9415(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	3d3 4s2
Радиус атома	134 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	122 пм
Радиус иона	(+5e)59 (+3e)74 пм
Электроотрицательность	1,63 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	650,1 (6,74) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	6,11 г/см³
Температура плавления	2160 К (1887 °C)
Температура кипения	3650 К (3377 °C)
Уд. теплота плавления	17,5 кДж/моль
Уд. теплота испарения	460 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,95 Дж/(K·моль)
Молярный объём	8,35 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,024 Å
Температура Дебая	390 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 30,7 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-62-2

Получение ванадия

В природе ванадий встречается исключительно в рассеянном состоянии. Его концентрация в земной коре составляет 1,6*10 -2 % по массе. Также может находиться в океанических водах, где его содержание достигает 3*10 -7 %. Также некоторое количество ванадия могут содержать в своем составе титаномагнетитовые руды, фосфоритовые, урансодержащие песчаники и алевролиты, в которых максимальное его содержание составляет 2%. К основным рудным минералам ванадия в подобных месторождениях относят карнотит и ванадиевый мусковит-роскоэлит. Кроме этого, было обнаружено, что бокситы, тяжелые нефти, бурые угли, битуминозные сланцы и пески также могут быть носителями ванадия. Однако, максимально средние значения концентрации ванадия фиксируются именно в магматических породах (габбро и базальтах).

Среди наиболее важных минералов следует выделить такие, как патронит V(S 2) 2 , ванадинит Pb 5 (VO 4) 3 Cl.

Основным сырьем для получения ванадия является ванадиевая руда. Однако, также существуют и другие промышленные источники получения металла, к которым относятся железные руды, титаномагнетитовые руды, а также медно-свинцово-цинковые. Указанные минералы выше наряду с урановым сырьем и горючими сланцами выступают в качестве дополнительных источников ванадия. Если ванадий получают из горючих сланцев или уранового материала, то он является побочным продуктом, который выделяется во время переработки основного сырья.

Производство ванадия осуществляют несколькими способами, связанными с окислением металла:

1. Путем выщелачивания руды, с помощью водных растворов или кислот. Данный способ заключается в предварительном отжиге исходного сырья, затем в выщелачивании основой или кислотной седой и выделении гидратированного оксида ванадия из растворов. На последней стадии используют гидролиз.
2. Плавкой в домне железных или других ванадийсодержащих руд. Суть данного способа состоит в переходе металла в чугун. Неотъемлемой частью процесса переработки металла является образование шлаков, в которых содержится порядка 16% пентоксида ванадия. Пятиокись выделяется двумя этапами: обжигом шлаков с поваренной солью и выщелачиванием. В результате этого на выходе получается продукт V 2 O 5 , который является основным сырьем для выделения металлического ванадия и его сплавов с железом. Для феррованадия характерно различное наличие металла в соединении - его концентрация может варьироваться в пределах 35-70%.

Всего в мире ванадиевых залежей насчитывается порядка 60 млн тонн, из которых 90% локализируется на территории пяти государств: России, ЮАР, Венесуэле, США и Китае. Именно там добывается порядка 50-60 тыс. тонн металла. Существуют определенные месторождения, которые выделяются в особую группу. В таких месторождениях сконцентрированы запасы ванадия, объем которых более 1 млн тонн. К ним относятся Качканарская группа, расположенная на Урале (Россия), а также Бушвельдский комплекс на территории ЮАР.

Таблица 2. Мировые запасы ванадия, т.

Страна	Подтвержденные запасы	Разведанные запасы	Доля в мировых подтвержденных запасах
Китай	5 000 000	14 000 000	38%
Россия	5 000 000	7 000 000	38%
ЮАР	3 000 000	12 000 000	23%
США	45 000	4 000 000	0,3%
Прочие	-	1 000 000	-
Всего	13 045 000	38 000 000	100%

Ванадиевая сталь

Такое название имеет сталь, свойства которой были улучшены путем добавления ванадия. Первое применение такой стали было осуществлено во Франции в 19 веке. Ванадий имеет особое влияние на сталь и ее свойства, которые приобретаются в результате карбидо- и нитридообразования. Стоит отметить, что металл выступает сильным карбидообразующим элементом, в связи с чем при взаимодействии с углеродом стали образует карбид ванадия, а в результате реакции с азотом получается карбонитрид ванадия или его нитрид.

Стоит отметить, что путем легирования стали ванадием можно получить мелкозернистую структуру, существенно снизить склонность к перегреву, а также повысить устойчивость к износу и разного рода механическим повреждениям. Ванадиевая сталь имеет отличные литейные и сварочные свойства, чего нельзя сказать об углеродной стали. Благодаря этому, она нашла широкое применение во многих областях человеческой деятельности.