Ванадий | Наука | Fandom

Атомно-водородная энергетика

Хлорид ванадия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике(ванадий-хлоридный цикл «Дженерал Моторс»,США).

Биологическая роль и воздействие

Dанадий может тормозить синтез жирных кислот, подавлять образование холестерина. Ванадий ингибирует ряд ферментных систем, тормозит фосфорилирование и синтез АТФ, снижает уровень коэнзимов А и Q, стимулирует активность моноаминоксидазы и окислительное фосфорилирование. Известно также, что при шизофрении содержание ванадия в крови значительно повышается.

Избыточное поступление ванадия в организм обычно связано с экологическими и производственными факторами. При остром воздействии токсических доз ванадия у рабочих отмечаются местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах.

При введении ванадия животным (в дозах 25-50 мкг/кг), отмечается замедление роста, диарея и увеличение смертности.

Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2-4 мг.

Повышенное содержание белков и хрома в рационе снижает токсическое действие ванадия. Нормы потребления для этого минерального вещества не установлены.

Кроме того ванадий у некоторых организмов, например, у морских жителей дна голотурий и асцидий концентрируется в целомической жидкости/крови, причем его концентрации достигают 10%! То есть эти животные являются биологическим концентратором ванадия. Его функция в организме голотурий до конца не ясна, разные ученые считают его отвечающим либо за перенос кислорода в организме этих животных, либо за перенос питательных веществ.

Ванадий в современных реалиях

Области современной эксплуатации тугоплавкого металла по-прежнему включают использование катализаторов на его основе. Расширилась только сфера применения: наряду с производством серной кислоты, ванадиевые соединения задействованы для крекинга нефти, например. Также с их участием происходит получение уксусной кислоты, прочие технологические процессы промышленной химии.

Остальные сферы промышленного применения ванадия в корне отличаются от его изначального использования. Основные акценты использования V и соединений на его основе, сегодня включают:

• изготовление химических источников тока;

• атомно-водородная энергетика.

О применении пятиокиси ванадия в качестве анода для мощных литиевых аккумуляторов уже упоминалось ранее. Другое соединение – ванадат серебра, напротив, используется под катоды резервных батарей.

Малая величина поперечного сечения неупругого рассеивания нейтронов обуславливает эксплуатацию элемента для нужд атомно-водородной энергетики. Например, ванадий используется в качестве материала для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Альтернативно, хлорид этого металла – компонент процесса термохимического разложения воды.

Сельское хозяйство начинает использовать ядохимикаты и даже микроудобрения, в составе которых присутствуют соединения пластичного металла.

Изотопы

Природный ванадий состоит из двух изотопов: слаборадиоактивного 50V (изотопная распространённость 0,250 %) и стабильного 51V (99,750 %). Период полураспада ванадия-50 равен 1,5×1017 лет, т. е. для всех практических целей его можно считать стабильным; этот изотоп в 83 % случаев посредством электронного захвата превращается в 50Ti, а в 17 % случаев испытывает бета-минус-распад, превращаясь в 50Cr.

Известны 24 искусственных радиоактивных изотопа ванадия с массовым числом от 40 до 65 (а также 5 метастабильных состояний).

История

Впервые ванадий был фактически открыт в 1781 г. профессором минералогии из Мехико Андресом Мануэлем Дель Рио в свинцовых рудах. Он обнаружил новый металл и предложил для него название «панхромий» из-за широкого диапазона цвета его соединений, сменив затем на «эритроний».

В 1830 году ванадий был открыт заново шведским химиком Нильсом Сефстрёмом в железной руде. Новому элементу название дали Берцелиус и Сефстрём.

Шанс открыть ванадий был у Фридриха Вёлера, исследовавшего мексиканскую руду, но он незадолго до открытия Сефстрёма серьёзно отравился фтороводородом и не смог продолжить исследования. Однако Вёлер довёл до конца исследование руды и окончательно доказал, что в ней содержится именно ванадий, а не хром.

Лом ванадия

Отходы чистого металла принимаются достаточно редко. Это связано со спецификой использования элемента, 80% которого расходуется на легирование стали, прочие отрасли металлургии. Основные источники лома ванадия:

• легированная сталь, марка которой содержит Ф в наименовании;

• ванадийсодержащие отходы, включая сплавы, приборы, конструкционные элементы узлов оборудования;

• соединения на базе металла.

Сегодня, даже используя интернет, достаточно непросто определить сколько стоит лом ванадия. Цена отходов, содержащих этот металл, определяется его процентным вхождением и в большинстве случаев указывается, как договорная. С другой стороны, практически все пункты приема, не откажутся от любого лома, в составе которого присутствует ванадий.

Нахождение в природе

В природе ванадий в свободном виде не встречается, относится к рассеянным элементам. Содержание ванадия в земной коре 1,6×10–2% по массе, в воде океанов 3,1×10-7%. Важнейшие минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.

Применение ванадия – от ярких красок до составляющей пороха

Толчком для использования пластичного металла человеком стали исследования Н. Зинина. Описанный химиком синтез анилина из нитробензола предоставил новые перспективы разработки синтетических красителей. Именно в этой отрасли, соединения ванадия с их яркой окраской, оказались более чем к месту.

Как результат, металл начал интенсивно использоваться в производстве не только красок, но и цветной керамики, стекла. Это подняло спрос на пятиокись ванадия, купить которую было выгодно по следующим соображениям: одной весовой порции V2O5 достаточно для преобразования бесцветной анилиновой соли (200 тысяч аналогов по массе) в красящее вещество.

Новый интерес к металлу возник с началом XX и связан с первой мировой войной. Причина тому, высокая потребность в серной кислоте, как сырья для нитроклетчатки – базового компонента боевых порохов. Естественно, производство H2SO4 не требует ванадия напрямую.

Однако, оксиды и соли этого элемента способны значительно ускорять крайне медленную реакцию взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом. Именно она лежит в основе производства серной кислоты. Ванадий вытеснил более дорогой катализатор – платину. Преимущества пятиокиси V2O5 – очевидны, она существенно дешевле платины и требуется в меньших количествах.

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.).

Мислер М.И.ХФ ТюмГУ, 561/1 группа

Производство ванадия

Важным промышленным источником пластичного металла выступают три вида руд:

Дополнительные источники ванадия – это ранее перечисленные минералы, а также урановое сырье, горючие сланцы. Во втором случае, металл выступает побочным продуктом, получаемым в результате переработки основного сырья.

Существует несколько способов извлечения ванадия, суть которых сводится к получению окислов металла:

1. Выщелачивание руды, водными растворами, кислотами. Предварительно, исходное сырье отжигают. На следующей стадии выполняют выщелачивание основой или кислотной средой. Последний этап состоит в выделении гидратированного оксида ванадия из растворов методом гидролиза.
2. Изначально, железные или другие ванадийсодержащие руды плавят в домне. Процесс характеризуется переходом V в чугун. Переработка черного металла в сталь сопровождается образованием шлаков, содержащих до 16% пентоксида ванадия. Выделение пятиокиси происходит в два этапа. Предварительно, шлаки обжигают с поваренной солью. Далее, полученный продукт выщелачивают: вначале водой, после разбавленной серной кислотой.

Результирующий продукт – V2O5 используется для получения металлического ванадия или его сплавов с железом. Феррованадий характеризуется широкой вариацией V в соединении от 35 до 70%.

Происхождение названия

Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини красоты Ванадис.

Прокат ванадия

Сегодня, металл доступен не только слитками, кусками или порошком. Ванадий купить реально в виде изделий проката, производимых согласно ТУ 48-4-373-76. Основные виды реализации – это:

Аналогично слиткам, проволока из ванадия также выпускается тремя сортами ВнПр-0, 1 и 2. Их чистота аналогична соответствующим маркам металла в слитках. Наряду с прутками, проволокой, а также листовым прокатом, высоким спросом пользуется трубка из ванадия.

Полоса ванадия выпускается двух марок ВнПл-1 и ВнПл-2, отличающихся степенью чистоты базового металла. Листовая продукция металла отличается оригинальность исполнения. Например, лента ванадия имеет широкую вариацию по ширине и толщине, а также обладает закругленными краями в целях безопасности.

С прицелом на будущее

Отличительной особенностью легирования стали ванадием, от добавок других тугоплавких металлов, молибдена, например, выступает установленный характер улучшения свойств базового материала. Внедрение ванадия в расплавленную сталь приводит к его активному взаимодействию с азотом и кислородом, о чем уже упоминалось ранее.

Вторая важная особенность – ванадий взаимодействует с углеродом. Это приводит к изменению структуры черного металла: на место растворенного углерода приходят карбиды ванадия, характеризуемые повышенной твердостью и жаростойкостью. Одновременно с этим, карбиды слабо растворимы в железе, что отражается в их неравномерном распределении по объему металла.

Этот фактор препятствует созданию крупных кристаллических структур внутри стали, делая ее мелкозернистой. Подобная мелкокристаллическая структура обуславливает высокую ударную вязкость, делая сталь ковкой и одновременно твердой, а также улучшая характеристики износа металла.

Четкое понимание механизма улучшения параметров стали ванадием, способствует дальнейшему технологическому прогрессу в легировании черных металлов.

Свойства ванадия

На внешний вид, элемент обладает сходством со сталью, также имея серебристо-серый оттенок. Однако, в отличие от низкоуглеродистого железа, металл ванадий характеризуется пластичностью. Это свойство сохраняется у вещества до температуры 300 0С, превышение которой резко снижает пластичность и металл становится хрупким. Аналогичный эффект оказывают примеси водорода, азота или кислорода в металле.

Ванадий относится к тугоплавким металлам, с соответствующим температурным пределом – 1887 0С. Это объясняет его низкую жаростойкость – свойство, характерное для переходных элементов, вследствие рыхлости оксидов, формируемых на их основе. Ванадий устойчив к деформации ползучести вплоть до температуры 675 0С, чему способствует пятиокись ванадия.

Ванадий – химический элемент V, относящийся соответственно собственной валентности к пятой группе Периодической системы. Его атомные характеристики: номером – 23, масса – 50.9. В природе различают два изотопа элемента: наиболее распространенный –51V и радиоактивный – 50V, доля которого составляет 0.25%.

Кристаллическая структура ванадия характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, что также свойственно тугоплавким металлам. Его плотность 6.11 грамм на куб. см. Металл ковок, прост в обработке давлением.

Содержание V внутри земной коры достигает 0.0015%, что характеризует его как распространенный элемент. С другой стороны, ванадий – рассеянный металл, поскольку не имеет самостоятельных минералов или концентрированных залежей. Обнаружить вещество можно в его сульфиде – патроните, ванадините, а также ряде других пород: роскоэлит, деклуазит, карнотит.

См. также

Категория:Соединения ванадия

Соединения ванадия

Электронная формула ванадия – KL3s23p64s23d3, где валентными оказываются 5 электронов на внешних 4s- и 3d-орбиталях. Это обуславливает степень окисления металла: 2 – 5. При этом кислотной базой обладает только пентоксид ванадия – V2O5.

Наиболее ценным из окислов металла считается пятиокись ванадия, цена которой формируется, соответственно ее интенсивному применению для производства мощных литиевых аккумуляторов. Там, порошкообразное вещество со слабым оранжевым оттенком – пятиокись ванадия используется в качестве анода.

Среди прочих соединений ванадия, практическое применение нашли:

1. Сульфиды. Пятивалентный V2S5 – известен как природный минерал патронит и представляет собой черный порошок.
2. Фториды. Двухвалентные VF2 – фиолетовые кристаллы, тогда как пятивалентный VF5 – белое твердое вещество, способное разъедать стекло.
3. Хлориды. Из трехвалентного VCl3 путем восстановления получают металлический элемент.

Впрочем, наибольшее промышленное использование остается за ванадиевыми окислами, в частности V2O5.

Ссылки

af:Vanadiumar:فانديومbg:Ванадийca:

Vanadico:Vanadiucs:

Vanadda:Vanadiumde:

Vanadiumen:Vanadiumeo:

Vanadoes:Vanadioet:

Vanaadiumfa:وانادیومfi:Vanadiinifr:

Vanadiumgl:Vanadio (elemento)he:ונדיוםhr:Vanadijhu:

Vanádiumid:Vanadiumio:

Vanadiois:Vanadínit:

Vanadioja:バナジウムjbo:jinmrvanadiko:바나듐ku:Vanadyûmla:

Vanadiumlb:Vanadiumlt:

Vanadislv:Vanādijsnl:

Vanadiumnn:Vanadiumno:

Vanadiumoc:Vanadipl:

Wanadpt:Vanádiosh:

Vanadijumsimple:Vanadiumsk:

Vanádsl:Vanadijsr:

Ванадијумsv:Vanadinth:วาเนเดียมtr:Vanadyumug:ۋانادىيuk:Ванадійuz:

Vanadiyvi:Vanađizh:钒

Стальной удел элемента

Наибольшая сфера реализации ванадия, несомненно, черная металлургия. Как бытовой пример, можно привести гаечный ключ, маркированный известной многим пометкой – хром ванадий.

В производстве высокопрочных сталей – ванадий оказывается широко востребованной легирующей добавкой. Промышленное начало использованию элемента V для создания сталей, обладающих одновременно улучшенной твердостью, вязкостью и легкостью, положила лаборатория Форда еще в начале XX века.

Одновременно с этим, французские инженеры легировали ванадием сталь для изготовления бронирующих плит, а впоследствии пушек военных самолетов. Внедрение V на уровне десятых долей процента совместно с хромом привело к созданию облегченной стали, с улучшенными показателями прочности. Дополнительные преимущества хромованадиевых марок стали – вязкость, повышенная износоустойчивость.

Сегодня, сталь марок «хром-ванадий» интенсивно используется при изготовлении различного обрабатывающего: резцы, сверла; и прочего инструмента. Машиностроение использует этот материал под стенки цилиндров дизельных моторов, благодаря его высокой устойчивости к истиранию, продлевающей эксплуатационный ресурс деталей.

Среди цветных металлов, легированных ванадием выделим:

1. Алюминий. Включение в метал 3% V привело к созданию марки «Вавилиом». Этот алюминий обладает высокой твердостью, устойчив к влаге и даже воздействию соленой воды. 2-процентное легирование алюминия ванадием применяется в производстве духовых музыкальных инструментов.
2. Медь. Металл, содержащий 8% V, выступает в качестве сырья для получения медных сплавов. Те же латунь и бронза, с добавкой ванадия до половины процента приобретают механические свойства аналогичные стали, вследствие чего используются в производстве ответственных деталей, узлов оборудования.
3. Никель. Его сплав с ванадием (20%) отличается высокой химической стойкостью. Подобная инертность способствует изготовлению лабораторной посуды.

Дополнительно, элементом V легируют сплавы титана, и даже благородные металлы, золото, например.

Резюмируя важность пластичного металла в промышленном прокате, достаточно отметить один факт. Современное производство ванадия до 80% ориентировано на нужды металлургии, преимущественно под производство нержавеющих и инструментальных сталей.

Стоимость ванадия

Основные месторождения тугоплавкого металла расположены в США, Китае, России, ЮАР и Армении. Современный уровень годового производства ванадия составляет порядка 90 тысяч тонн. Лидерство по выпуску металла удерживает Китай, на долю которого приходится более половины предложений. Как результат, именно Поднебесная оказывается основным регулятором цены на ванадий.

Современная тенденция роста стоимости ванадия сохраняется уже не одну декаду. Это связано с ростом потребления металла. Основной вклад в востребованность элемента вносит растущее производство легированных сталей. Как считают эксперты, цена на ванадий сегодня, еще не обрела собственного максимума, ее рост прогнозируется минимум до 2020 года.

Говоря языком цифр, можно выделить еще одну особенность металла – ванадий. Цена за кг его определяется видом продукции.

Так, наиболее дорогостоящим оказывается прокат: полоса, проволока – около $2000. На сотню долларов дешевле пруток. Непосредственно слитки металла марки ВнМ-1 стоят $200, что на порядок дешевле проката.

Физические свойства

Ванадий — пластичный металл серебристо-серого цвета, по внешнему виду похож на сталь. Кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная, a=3,024 Å, z=2, пространственная группа Im3m. Температура плавления 1920 °C, температура кипения 3400 °C, плотность 6,11 г/см³.

Химические источники тока

Пятиокись ванадия широко применяется в качестве положительного электрода(катода) в мощных литиевых батареях и аккумуляторах.Ванадат серебра в резервных батареях в качестве катода.

Химические свойства

Химически ванадий довольно инертен. Он стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной, азотной и серной кислот, щелочей.

С кислородом ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, темно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные.

Галогениды ванадия гидролизуются. С галогенами ванадий образует довольно летучие галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.).

Соединения ванадия в степенях окисления 2 и 3 — сильные восстановители, в степени окисления 5 проявляют свойства окислителей. Известны тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл=2800 °C), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.

При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются ванадаты — соли ванадиевой кислоты вероятного состава HVO3.

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.